研究人员发现新的扁平电子带，为先进的量子材料铺平道路

裸露和涌现的平坦带和晶格几何形状的图示。a 在非相互作用的情况下，一条平坦的带（红色实线）出现在远离费米能量的地方。b 在存在轨道选择相关性的情况下，在费米能量处出现相互作用驱动的平带（红色实线），同时在远离费米能量的地方留下不相干的激发（红色虚线）。c 涌现的平带穿过色散带，导致拓扑近藤半金属，其对称保护狄拉克/外尔节点固定在费米能量附近，在有效的近藤能量尺度内。d 三叶草晶格的几何形状，每个晶胞有 5 个子晶格。晶格不具有反转对称性。这可以从（深）蓝色亚晶格与其反转对应物（浅蓝色点）之间的不匹配中看出。e Wannier轨道靠近晶胞的几何中心（蓝色阴影圆圈），晶胞形成三角形晶格。图片来源：Nature Communications （2024）。DOI：

10.1038/s41467-024-49306-w

在发表在《自然通讯》上的一项研究中，由莱斯大学的Qimiao Si领导的一组科学家预测，在费米能级上存在扁平电子带，这一发现可能使新形式的量子计算和电子设备成为可能。

量子材料受量子力学规则的支配，其中电子占据独特的能量状态。这些状态形成了一个阶梯，其最高梯级称为费米能量。

带电的电子相互排斥并以相关方式移动。Si的团队发现，电子相互作用可以在费米能级产生新的扁平带，从而增强它们的重要性。

“大多数扁平带都远离费米能量，这限制了它们对材料特性的影响，”赖斯大学物理和天文学的Harry C.和Olga K. Wiess教授Si说。

通常，粒子的能量会随着其动量而变化。但在量子力学中，电子可以表现出量子干涉，即使它们的动量发生变化，它们的能量也保持平坦。这些被称为扁平带。

“扁平电子带可以增强电子相互作用，有可能产生新的量子相和不寻常的低能量行为，”Si说。

Si说，这些条带在具有特定晶格的过渡金属离子中特别受到追捧，称为d电子材料，它们通常表现出独特的特性。

该团队的发现提出了设计这些材料的新方法，这可能会激发这些材料在量子比特、量子比特和自旋电子学中的新应用。他们的研究表明，电子相互作用可以连接不动和移动的电子状态。

研究人员使用理论模型证明，这些相互作用可以产生一种新型的近藤效应，其中不动粒子通过与费米能量的移动电子相互作用来获得迁移率。近藤效应描述了由于磁杂质导致金属中传导电子的散射，导致电阻率随温度的特征变化。

“量子干涉可以使近藤效应成为可能，使我们能够取得重大进展，”莱斯大学的博士生陈磊说。

Chen说，扁平带的一个关键属性是它们的拓扑结构。“固定在费米能量上的扁平带提供了一种实现新物质量子态的方法，”他说。

该团队的研究表明，这包括任意子和外尔费米子，或携带电荷的无质量准粒子和费米子。研究人员发现，任意子是很有前途的量子比特代理，而承载外尔费米子的材料可能会在基于自旋的电子学中找到应用。

该研究还强调了这些材料对外部信号非常敏感并能够进行高级量子控制的潜力。结果表明，在相对较低的温度下，平坦带可能导致强相关的拓扑半金属，可能在高温甚至室温下工作。

“我们的工作为在强相互作用环境中利用平带来设计和控制在低温范围之外运行的新型量子材料提供了理论基础，”Si说。

这项研究的贡献者包括Fang Xie和Shouvik Sur，Rice物理学和天文学博士后助理;胡浩宇，莱斯校友，多诺斯蒂亚国际物理中心博士后研究员;Silke Paschen，维也纳理工大学物理学家;以及石溪大学（Stony Brook University）和熨斗研究所（Flatiron Institute）的理论物理学家詹妮弗·卡诺（Jennifer Cano）。

更多信息：Lei Chen et al， Emergent flat band and topological Kondo semimetal driven by orbital-selective correlations， Nature Communications （2024）.DOI： 10.1038/s41467-024-49306-w

期刊信息： Nature Communications