“Quantum distance and anomalous Landau levels of flat bands”

양자역학에서 고체 내의 전자는 파동으로 간주되는데, 이 파동은 곡률(Berry curvature)과 양자거리 (quantum distance)로 나타내는 기하학적 모양을 가진다. 양자거리는 전자 파동의 기하학적 구조의 핵심 요소지만 지금까지는 고체에서 양자거리를 측정할 방법이 없었고, 물성으로도 나타나지 않아 크게 주목받지 못했다. 연구진은 평평한 에너지띠를 갖는 고체에 자기장을 걸어서 양자거리 측정이 가능하다는 것을 세계에서 처음으로 밝혀내었다. 고체를 양자기하학으로 분석한 기존 연구들은 곡률에 국한되어 있었는데, 이번 연구는 고체 전자의 에너지 준위를 관찰해 양자거리를 정확히 측정할 수 있음을 이론적으로 증명해서, 전자 파동의 기하학적 구조와 관련한 새로운 고체 연구의 장을 열 것으로 기대된다. 양자거리가 양자정보의 신뢰도 (fidelity)와 밀접한 관련이 있는 개념임을 고려하면 본 연구 결과는 양자정보 분야에 쓰일 새로운 재료를 찾는 데 기여할 것으로 기대된다.

The geometry of quantum states is one of the central concepts underlying diverse physical phenomena, ranging from the Aharonov-Bohm effect to the topological phases of matter. Compared to the physics of the Berry curvature, the effects of the quantum metric on physical phenomena are less understood, especially in solids. Researchers at SNU and IBS-CCES reported that they found a way to measure the quantum distance of Bloch states in solids by applying magnetic field. More specifically, the researchers have examined the energy spectrum under magnetic field of flat bands in the kagome and checkerboard lattices, and observed anomalous Landau level spreading arising from the flat band. Surprisingly, they found that the total energy spreading of the flat band’s Landau level is solely determined by the maximum quantum distance between the Bloch states of the flat band. Namely, the quantum distance of the Bloch states in solids can be measured by applying magnetic field to two-dimensional materials with flat bands. It is expected that this results would provide a critical step towards the complete understanding of geometrical properties of quantum states in solids.

Authors: 임준원 (서울대, IBS CCES), 김규 (KAERI), 양범정 (서울대, IBS CCES)

Publication date: 6 August 2020

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2540-1