新型量子材料的设计速度将大大加快

如何找到具有非常特殊特性的新材料——例如，量子计算机所需的特殊电子特性？这通常是一项非常复杂的任务：创建各种化合物，其中有潜力的原子排列在某些晶体结构中，然后测试材料，例如在 TU Wien 的低温实验室。

现在，莱斯大学（德克萨斯州）、维也纳工业大学和其他国际研究机构的合作已经成功地运用计算机找到了合适的材料。新的理论方法被用来从大量可能的材料中识别出特别有前途的候选材料。TU Wien 的测量表明，这些材料确实具有所需的特性，并且该方法有效。这是量子材料研究向前迈出的重要一步。该结果现已发表在《自然物理学》杂志上。

新材料：Ce 2 Au 3 In 5。

拓扑半金属

德克萨斯州莱斯大学和 TU Wien 近年来在寻找具有非常特殊性质的新型量子材料方面已经取得了成功：2017 年，两个研究小组提出了第一个所谓的“Weyl-Kondo 半金属”——一种材料这可能在量子计算机技术的研究中发挥重要作用。

“这种材料中的电子无法单独描述，”TU Wien 固态物理研究所的 Silke Bühler-Paschen 教授解释说：“这些电子之间存在非常强烈的相互作用，它们根据量子物理定律以波的形式相互干扰，同时由于它们的电荷而相互排斥。”

正是这种强烈的相互作用导致了电子的激发，这只能用非常复杂的数学方法来描述。在目前正在研究的材料中，拓扑学也起着重要作用——它是数学的一个分支，它处理不会因连续变形而改变的几何特性，例如甜甜圈中的孔数，即使甜甜圈被轻微挤压。

以类似的方式，即使材料受到轻微干扰，材料中的电子态也可以保持稳定。这正是这些状态对于量子计算机等实际应用如此有用的原因。

使用计算机识别可能的候选材料

计算材料中所有强相互作用电子的行为是不可能的——世界上没有超级计算机能够做到这一点。但是基于之前的发现，现在已经有可能开发一种设计原则，该原则使用简化的模型计算结合数学对称性考虑和已知材料的数据库来提供关于这些材料中的哪些可能具有理论上预期的拓扑特性的建议。

“这种方法提供了三种这样的候选材料，然后我们生产了其中一种材料，并在我们的实验室中在低温下对其进行了测量，”Silke Bühler-Paschen 说：“事实上，这些第一次测量表明它是一种高度相关的拓扑半金属——第一次使用计算机在理论基础上进行预测。”

成功的一个重要关键是以巧妙的方式利用系统的对称性。

“我们假设强相关的激发仍然受制于对称性要求。正因为如此，我可以说很多关于没有系统的拓扑采用从头算计算通常是必需的，但对于研究强相关材料尤其具有挑战性，”莱斯大学的 Qimiao Si 说：“所有迹象都表明，我们已经找到了一种可靠的方法来识别具有我们想要的特征的材料。”