萊斯大學的物理學家在斯奇苗領導的一項研究中，透過證明對量子計算至關重要的特定的不可改變的拓撲態可以與某些材料中可變的量子態交織在一起，連接了兩個量子物理子領域。這項發現使得潛在的操作能夠在明顯更高的溫度下進行，提供了巨大的功能前景。

萊斯大學的物理學家已經證明，量子運算所高度追求的不可變拓樸態可以與某些材料中其他可操縱的量子態糾纏在一起。

「我們發現令人驚訝的事情是，在一種特殊的晶格中，電子被困住，d 原子軌道中電子的強耦合行為實際上就像一些重費米子的f 軌道系統一樣，」 《科學進展》相關研究報告的作者說。

這一意想不到的發現為凝聚態物理學的子領域之間架起了一座橋樑，這些子領域專注於量子材料的不同湧現特性。例如，在拓樸材料中，量子糾纏模式產生「受保護的」、不可變的狀態，可用於量子計算和自旋電子學。在強關聯材料中，數十億個電子的糾纏會產生非常規超導性和量子自旋液體中持續磁漲落等行為。

在這項研究中，斯奇苗和合著者胡浩宇（他的研究小組的前研究生）建立並測試了一個量子模型，以探索“受挫”晶格排列中的電子耦合，就像在具有“平帶”在特徵的金屬和半金屬中發現的電子耦合，表明電子被卡住並且強相關效應被放大。

斯奇苗是萊斯大學物理和天文Harry C. 和Olga K. Wiess 教授，也是萊斯大學量子材料中心主任。圖片來源：Jeff Fitlow/萊斯大學

這項研究是斯奇苗持續努力的一部分，他於7 月獲得了美國國防部著名的萬尼瓦爾布希教員獎學金，以驗證控制物質拓撲狀態的理論框架。

在這項研究中，斯奇苗和胡浩宇表明，來自d 原子軌道的電子可以成為晶格中多個原子共享的更大分子軌道的一部分。研究還表明，分子軌道中的電子可能與其他受挫電子糾纏在一起，產生強相關效應，這對於多年來研究重費米子材料的Si 來說非常熟悉。

「這些完全是d 電子系統，」斯奇苗說。「在 d 電子世界中，就像有一條多車道的高速公路。在f 電子世界中，您可以認為電子在兩層中移動。一種就像d電子高速公路，另一種就像土路，移動速度非常慢。”

Si 表示，f 電子系統有非常清晰的強相關物理例子，但它們不適合日常使用。

「這條土路距離高速公路太遠了，」他說。「高速公路的影響非常小，這意味著微小的能量尺度和非常低的物理溫度。這意味著需要達到10 開爾文左右的溫度才能看到耦合的效果。在 d 電子世界中情況並非如此。在多在車道高速公路上，事物之間的耦合非常有效。”

即使頻帶平坦，耦合效率仍然存在。斯將其比作高速公路的一條車道變得像f 電子土路一樣低效且緩慢。

「即使它已經變成了土路，它仍然與其他車道共享地位，因為它們都來自d 軌道，」斯說。「它實際上是一條土路，但它的耦合性更強，這轉化為更高溫度下的物理現象。這意味著我可以擁有所有基於f 電子的精緻物理學，為此我擁有明確定義的模型和多年研究的大量直覺，但我不必達到10 開爾文，而是可以工作例如，200 開爾文，甚至可能是300 開爾文，或室溫。 因此，從功能角度來看，它非常有前途。”