Открытие неожиданных свойств в сложном квантовом материале

В то время как область квантовой информатики в последние годы претерпела прогресс, широкое использование квантовых компьютеров все еще ограничено. Одной из проблем является возможность использовать только небольшое количество «кубитов», единицы, которая выполняет вычисления в квантовом компьютере, потому что современные платформы не предназначены для того, чтобы позволить нескольким кубитам «разговаривать» друг с другом. Чтобы решить эту проблему, материалы должны быть эффективными при квантовой запутанности, которая возникает, когда состояния кубитов остаются связанными независимо от их расстояния друг от друга, а также когерентности, или когда система может поддерживать эту запутанность.

В этом исследовании Джог посмотрел на Та.₂NiSe₅, материальная система, которая имеет сильную электронную корреляцию, что делает ее привлекательной для квантовых устройств. Сильная электронная корреляция означает, что атомная структура материала связана с его электронными свойствами и сильным взаимодействием, которое происходит между электронами.

Изучать Та₂NiSe₅Джог использовал модификацию метода, разработанного в лаборатории Агарвала, известного как круговой фотогальванический эффект, где свет спроектирован так, чтобы переносить электрическое поле и способен исследовать различные свойства материала. Разработанный и итерированный в последние несколько лет, этот метод раскрыл понимание таких материалов, как кремний и полуметаллы Вейля, способами, которые невозможны в обычных физических и материаловедческих экспериментах.

Но проблема в этом исследовании, говорит Агарвал, заключается в том, что этот метод был применен только к материалам без инверсионной симметрии, тогда как Ta₂NiSe₅ Джог «хотел посмотреть, можно ли использовать эту технику для изучения материалов, которые имеют инверсионную симметрию, которая, с общепринятого смысла, не должна вызывать этот ответ», — говорит Агарвал.

После соединения с Harnagea для получения высококачественных образцов Ta₂NiSe₅Джог и Агарвал использовали модифицированную версию кругового фотогальванического эффекта и были удивлены, увидев, что производится сигнал. После проведения дополнительных исследований, чтобы убедиться, что это не было ошибкой или экспериментальным артефактом, они работали с Меле, чтобы разработать теорию, которая могла бы помочь объяснить эти неожиданные результаты.

Меле говорит, что проблема с разработкой теории заключалась в том, что было выдвинуто предположение о симметрии Та.₂NiSe₅ не соответствовали результатам экспериментов. Затем, найдя предыдущую теоретическую работу, в которой предполагалось, что симметрия была ниже, чем предполагалось, они смогли разработать объяснение этих данных. «Мы поняли, что, если бы существовала низкотемпературная фаза, когда система спонтанно сдвигалась, это могло бы сделать это, предполагая, что этот материал деформируется в эту другую структуру», — говорит Меле.

Объединив свой опыт как эксперимента, так и теории, что является важным компонентом успеха этого проекта, исследователи обнаружили, что этот материал нарушил симметрию, что имеет значительные последствия для использования этого и других материалов в будущих устройствах. Это связано с тем, что симметрия играет фундаментальную роль в классификации фаз материи и, в конечном счете, в понимании того, какими будут их последующие свойства.

Эти результаты также обеспечивают платформу для поиска и описания аналогичных свойств в других типах материалов. «Теперь у нас есть инструмент, который может исследовать очень тонкое нарушение симметрии в кристаллических материалах. Чтобы понять любой сложный материал, вы должны думать о симметриях, потому что это имеет огромные последствия», — говорит Агарвал.

Пока остается «долгий путь» до Та₂NiSe₅ могут быть включены в квантовые устройства, исследователи уже добиваются прогресса в дальнейшей оценке этого явления. В лаборатории Джог и Агарвал заинтересованы в изучении дополнительных уровней энергии в Та.₂NiSe₅, ища потенциальные топологические свойства и используя круговой фотогальванический метод для изучения других коррелированных систем, чтобы увидеть, могут ли они также иметь аналогичные свойства. Что касается теории, Меле изучает, насколько распространены эти явления в других материальных системах, и разрабатывает предложения по другим материалам для изучения экспериментаторами в будущем.

«То, что мы видим здесь, — это реакция, которая не должна происходить, но происходит в этих обстоятельствах», — говорит Меле. «Расширение пространства структур, которые у вас есть, где вы можете включить эти эффекты, которые номинально запрещены, действительно важно. Это не первый раз, когда это происходит в спектроскопии, но всякий раз, когда это происходит, это интересная вещь».

Наряду с представлением нового инструмента для изучения сложных кристаллов исследовательскому сообществу, эта работа также дает важную информацию о типах материалов, которые могут обеспечить две ключевые особенности, запутанность и макроскопическую когерентность, которые имеют решающее значение для будущих квантовых приложений, которые варьируются от медицинской диагностики, маломощной электроники и датчиков.

«Долгосрочная идея и одна из самых больших целей физики конденсированного состояния заключается в том, чтобы иметь возможность понять эти сильно запутанные состояния материи, потому что эти материалы сами по себе могут выполнять много сложного моделирования», — говорит Агарвал. «Возможно, если мы сможем понять эти типы систем, они могут стать естественными платформами для проведения крупномасштабного квантового моделирования».