极端量子极限下钙钛矿氧化物中的关联电子“tango”

美国能源部橡树岭国家实验室领导的一个研究小组发现了一种罕见的量子材料，其中电子以协调的方式运动，基本上是“跳舞”。拉紧该材料会产生一种电子能带结构，为奇异的、更紧密相关的行为奠定基础，类似于狄拉克电子之间的纠缠，特别是移动电荷载体，有一天可能实现更快的晶体管。研究结果发表在《科学进步》杂志上。

“我们将相关性和拓扑结构结合在一个系统中，”联合首席研究员Jong Mok Ok说，他与ORNL的首席研究员Ho Nyung Lee共同构思了这项研究。拓扑探测即使几何对象发生变形（例如拉伸或压缩）时仍保留的特性。“这项研究对于未来的信息和计算技术来说是不可或缺的，”奥克补充道，他曾是ORNL的博士后研究员。

在传统材料中，电子的运动是可预测的（例如，在绝缘体中是无电荷的，在金属中是高能的）。在电子彼此强烈相互作用的量子材料中，物理力导致电子以意外但相关的方式行为；一个电子的运动迫使附近的电子作出反应。

为了研究拓扑量子材料中的这种紧密探戈，Ok领导合成了一种非常稳定的过渡金属氧化物晶体薄膜。他和同事们利用脉冲激光外延技术制作了薄膜，并对其进行拉伸以压缩各层并稳定块体晶体中不存在的相。科学家们是第一个稳定这一阶段的人。

利用基于理论的模拟，联合首席研究员纳拉扬·莫汉塔（Narayan Mohanta），前ORNL博士后研究员，预测了应变材料的能带结构。莫汉塔说：“在应变环境中，我们研究的化合物铌酸锶（一种钙钛矿氧化物）改变了结构，产生了一种新的电子带结构的特殊对称性。”。

如果量子力学系统的不同状态在测量时具有相同的能量值，则称之为“简并”。电子同样有可能填满每个简并态。在这种情况下，特殊的对称性导致在一个能级中出现四种状态。

莫汉塔说：“由于特殊的对称性，简并得到了保护。”。“我们在这里发现的狄拉克电子色散是一种新的材料。”他与冈本聪（Satoshi Okamoto）一起进行了计算，冈本聪开发了一个发现晶体对称性如何影响能带结构的模型。

“把磁场下的量子材料想象成一栋10层楼高的建筑，每层楼都有居民，”Ok假设。“每一层都是一个定义的、量化的能级。增加场强类似于拉响火灾警报，驱使所有居民到一楼安全的地方集合。实际上，它将所有狄拉克电子驱动到一个称为极端量子极限的地面能级。”

Lee补充道，“在这里，电子聚集在一起。它们之间的相互作用急剧增加，它们的行为变得相互关联和复杂。”这种相互关联的电子行为与单粒子图像不同，为电子纠缠等意外行为奠定了基础。在纠缠中，爱因斯坦称之为“远处的幽灵行为”的状态，多个物体表现为一个。这是实现量子计算的关键。

“我们的目标是了解当电子进入极端量子极限时会发生什么，在那里我们发现我们仍然不了解的现象，”李说。“这是一个神秘的地区。”

在石墨烯、拓扑绝缘体和某些非传统超导体等材料中，快速狄拉克电子具有广阔的应用前景。ORNL独特的材料是Dirac半金属，其中电子价带和导带交叉，这种拓扑结构产生令人惊讶的行为。狄拉克半金属强电子关联的Ok led测量。

“我们发现氧化物系中电子迁移率最高，”Ok说。“这是第一种达到极端量子极限的氧化物基狄拉克材料。”

这对先进电子技术来说是个好兆头。理论预测，传统半导体中的电子达到极端量子极限需要大约100000特斯拉（磁测量单位）。研究人员将他们的应变工程拓扑量子材料应用到佛罗里达大学国家高磁场实验室的Eun Sang Choi，以了解将电子驱动到极限量子极限所需要的东西。在那里，他测量了量子振荡，表明这种材料只需要3特斯拉就可以实现这一点。

其他专业设施使科学家们能够通过实验证实莫汉塔预测的行为。实验是在低温下进行的，因此电子可以在不受原子晶格振动冲击的情况下四处移动。匹兹堡大学和匹兹堡量子研究所的Jeremy Levy小组证实了量子输运性质。通过同步辐射X射线衍射，美国能源部阿贡国家实验室科学用户设施办公室高级光子源的周华证实，稳定在薄膜相的材料晶体结构产生了独特的狄拉克能带结构。ORNL的Sangmon Yoon和Andrew Lupini在ORNL进行了扫描透射电子显微镜实验，结果表明外延生长的薄膜层间有尖锐的界面，并且传输行为是应变铌酸锶固有的。

“直到现在，我们还不能完全探索极端量子极限的物理，因为我们很难将所有电子推到一个能级上，看看会发生什么，”李说。“现在，我们只需在实验室施加几特斯拉的磁场，就可以将所有电子推到这个极限，从而加速我们对量子纠缠的理解。”

科学进展论文的标题是“极端量子极限下的相关氧化物狄拉克半金属”