يعد تحقيق الأطوار الكمومية العيانية في درجة حرارة الغرفة أحد المساعي المهمة في الفيزياء الأساسية. مرحلة قاعة الدوران الكمومية هي مرحلة كمومية طوبولوجية تتميز بكتلة عازلة ثنائية الأبعاد وحالة حافة حلزونية.
في دراسة جديدة، أبلغ علماء برينستون عن تأثيرات كمومية جديدة في عازل طوبولوجي في درجة حرارة الغرفة. وهذه التجربة هي المرة الأولى التي يتم فيها ملاحظة هذه التأثيرات في درجة حرارة الغرفة. عادة ما تكون درجات الحرارة القريبة من الصفر المطلق، أو -459 درجة فهرنهايت، مطلوبة لتحفيز ومراقبة الحالات الكمومية في العوازل الطوبولوجية (أو -273 درجة مئوية).
يفتح هذا الاكتشاف مجموعة جديدة من الفرص لإنشاء تقنيات الكم الفعالة، مثل الإلكترونيات القائمة على الدوران، والتي لديها القدرة على استبدال العديد من الأنظمة الإلكترونية الموجودة لصالح الأنظمة التي تستخدم طاقة أقل.
وقال م. زاهد حسن، أستاذ الفيزياء بجامعة يوجين هيجنز بجامعة برينستون، والذي قاد البحث: «الرواية الطوبولوجية خصائص المادة برزت كواحدة من أكثر الكنوز المرغوبة في الفيزياء الحديثة، سواء من وجهة نظر الفيزياء الأساسية أو لإيجاد تطبيقات محتملة في الجيل التالي من هندسة الكم وتقنيات النانو.
"تم تمكين هذا العمل من خلال العديد من التطورات التجريبية المبتكرة في مختبرنا في برينستون."
العوازل الطوبولوجية هي عنصر الجهاز الأساسي المستخدم للتعمق في أسرار طوبولوجيا الكم. هذه أداة خاصة لأن الجزء الداخلي منها يعمل كعازل، مما يمنع الإلكترونات من التحرك بحرية والتوصيل كهرباء.
ومع ذلك، فإن حواف الجهاز تحتوي على إلكترونات حرة الحركة، مما يشير إلى أنها موصلة للكهرباء. بالإضافة إلى ذلك، فإن الإلكترونات التي تتحرك على طول الحواف لا تعيقها أي عيوب أو تشوهات بسبب الخصائص الفريدة للطوبولوجيا. من خلال فحص الخصائص الكهربائية الكمومية، يتمتع هذا الجهاز بالقدرة على تطوير التكنولوجيا مع تعزيز معرفة أعمق بالمادة نفسها.
وقال حسن "ومع ذلك، حتى الآن، هناك حجر عثرة كبير في السعي لاستخدام المواد والأجهزة للتطبيقات في الأجهزة الوظيفية. هناك اهتمام كبير بالمواد الطوبولوجية، وغالبًا ما يتحدث الناس عن إمكاناتها الكبيرة للتطبيقات العملية. ومع ذلك، من المرجح أن تظل هذه التطبيقات غير محققة حتى يظهر بعض التأثير الطوبولوجي الكمي العياني في درجة حرارة الغرفة.
ويرجع ذلك إلى الظاهرة المعروفة باسم "الضوضاء الحرارية"، والتي يعرفها الفيزيائيون بأنها ارتفاع في درجة الحرارة إلى النقطة التي تبدأ فيها الذرات بالاهتزاز بعنف. يمكن لهذه العملية أن تؤدي إلى انهيار الحالة الكمومية عن طريق تعطيل الأنظمة الكمومية الهشة. خاصة مع العوازل الطوبولوجية، تؤدي درجات الحرارة المرتفعة هذه إلى حالة تكون فيها الإلكترونات على سطح العازل تغزو الجزء الداخلي أو "الجزء الأكبر" من العازل وتحث الإلكترونات الموجودة هناك أيضًا على البدء في إجراء أو تخفيف أو كسر التأثير الكمي الفريد.
ويمكن تجنب ذلك عن طريق تعريض مثل هذه التجارب لدرجات حرارة ضحلة، عادة عند الصفر المطلق أو بالقرب منه. تتوقف الجسيمات الذرية ودون الذرية عن الاهتزاز عند درجات الحرارة الضحلة هذه، مما يسهل التحكم فيها. بالنسبة للعديد من التطبيقات، لا يعد إنشاء بيئة شديدة البرودة والحفاظ عليها أمرًا ممكنًا لأن القيام بذلك مكلف وكبير ويستهلك الكثير من الطاقة.
لقد توصل العلماء هنا إلى طريقة مبتكرة لتجاوز هذه المشكلة. قاموا بتصنيع عازل طوبولوجي جديد من بروميد البزموت (الصيغة الكيميائية α-Bi4Br4). وهو مركب بلوري غير عضوي يستخدم أحيانًا لمعالجة المياه والتحليلات الكيميائية.
نانا شوميا حصلت على درجة الدكتوراه. وقال في برينستون "إنه لأمر رائع أننا وجدناها بدون ضغط هائل أو مجال مغناطيسي فائق الارتفاع، مما يجعل المواد في متناول الجميع لتطويرها". تكنولوجيا الكم من الجيل القادم. وأعتقد أن اكتشافنا سوف يؤدي إلى تقدم كبير في الحدود الكمومية.
وقال حسن "يمكن تصميم العوازل الطوبولوجية لشبكة kagome لتمتلك معابر نطاق نسبية وتفاعلات قوية بين الإلكترون والإلكترون. كلاهما ضروري للرواية مغنطيسية. ولذلك أدركنا أن مغناطيس الكاجومي يعد نظامًا جيدًا للبحث عن أطوار المغناطيس الطوبولوجي، فهو مثل العوازل الطوبولوجية التي اكتشفناها ودرسناها منذ أكثر من عشر سنوات.
"إن الكيمياء الذرية المناسبة وتصميم البنية إلى جانب نظرية المبادئ الأولى هي الخطوة الحاسمة لجعل التنبؤ التأملي للعازل الطوبولوجي واقعيًا في بيئة ذات درجة حرارة عالية. هناك المئات من المواد الطوبولوجية، ونحن بحاجة إلى الحدس والخبرة والحسابات الخاصة بالمواد وجهود تجريبية مكثفة للعثور على المادة المناسبة لاستكشافها بشكل متعمق. وقد أخذنا ذلك في رحلة مدتها عقد من الزمن لدراسة العديد من المواد القائمة على البزموت.
قام حسن وزملاؤه بالتحقيق في عائلة المركبات التي تسمى بروميد البزموت استجابةً لاقتراح من المتعاونين والمؤلفين المشاركين فان تشانغ ويوجي ياو للتحقيق في فئة معينة من معادن ويل. ومع ذلك، فإن ظاهرة فايل لم تكن مرئية للباحثين في هذه المواد. بدلًا من ذلك، وجد حسن وفريقه أن عازل بروميد البزموت يمتلك خصائص تجعله مرغوبًا أكثر من العوازل الطوبولوجية (سبائك Bi-Sb) المعتمدة على أنتيمون البزموت الذي بحثوه سابقًا.
لديها فجوة عازلة كبيرة تزيد عن 200 ميغا فولت ("ملي إلكترون فولت"). وهذا كبير بما يكفي للتغلب على الضوضاء الحرارية ولكنه صغير بما يكفي بحيث لا يعطل تأثير اقتران مدار الدوران وطوبولوجيا انعكاس النطاق.
وقال حسن "في هذه الحالة، في تجاربنا، وجدنا توازنًا بين تأثيرات اقتران المدار المغزلي وعرض فجوة النطاق الكبيرة. لقد وجدنا أن هناك "مكانًا رائعًا" حيث يمكنك الحصول على اقتران مدار دوراني كبير نسبيًا لإنشاء تطور طوبولوجي بالإضافة إلى زيادة فجوة النطاق دون تدميرها. إنها بمثابة نقطة توازن للمواد المعتمدة على البزموت والتي كنا ندرسها لفترة طويلة."
عندما تمكنوا من رؤية ما كان يحدث في تجربة الدقة دون الذرية باستخدام مجهر المسح النفقي، وهي أداة خاصة تستفيد من الظاهرة المعروفة باسم "نفق الكم"، حيث يتم توجيه الإلكترونات بين الطرف المعدني الحاد المكون من ذرة واحدة للمجهر والعينة، عرف العلماء أنهم نجحوا في تحقيق هدفهم.
وقال حسن "لأول مرة، أظهرنا فئة من المواد الطوبولوجية القائمة على البزموت والتي تبقى طوبولوجياها حتى درجة حرارة الغرفة. نحن واثقون جدًا من نتيجتنا."
"يعتقد الباحثون أن هذا الاختراق سيفتح الباب أمام إمكانيات بحثية وتطبيقات مستقبلية في تقنيات الكم."
قالت شفايات حسين، باحثة مشاركة في مرحلة ما بعد الدكتوراه في مختبر حسن ومؤلفة أخرى مشاركة في الدراسة: "نعتقد أن هذه النتيجة قد تكون نقطة البداية للتطور المستقبلي في مجال تكنولوجيا النانو. لقد كان هناك الكثير من الإمكانيات المقترحة في مجال التكنولوجيا الطوبولوجية التي تنتظرنا، وإيجاد المواد المناسبة إلى جانب الأجهزة الجديدة هو أحد مفاتيح ذلك.
"في الوقت الحالي، يتركز التركيز النظري والتجريبي للمجموعة في اتجاهين: أولاً، نريد تحديد المواد الطوبولوجية الأخرى التي يمكن أن تعمل في درجة حرارة الغرفة، والأهم من ذلك، تزويد العلماء الآخرين بالأدوات وطرق الأجهزة الجديدة لتحديد المواد التي يمكن أن تعمل في درجة حرارة الغرفة. سوف تعمل في الغرفة ودرجات حرارة عالية.
"ثانيًا، نريد مواصلة التعمق في العالم الكمي الآن بعد أن مكّن هذا الاكتشاف من إجراء تجارب في درجات حرارة أعلى."
حسن محمد, "ستتطلب هذه الدراسات تطوير مجموعة أخرى من الأجهزة والتقنيات الجديدة لتسخير الإمكانات الهائلة لهذه المواد بشكل كامل. مع أجهزتنا الجديدة، أرى فرصة هائلة لمزيد من الاستكشاف المتعمق للظواهر الكمومية الغريبة والمعقدة، وتتبع التفاصيل الدقيقة في الحالات الكمومية العيانية. ومن يعلم ماذا سنكتشف؟”
"يعد بحثنا خطوة حقيقية إلى الأمام في إظهار إمكانات المواد الطوبولوجية لتطبيقات توفير الطاقة. ما فعلناه هنا بهذه التجربة هو زرع بذور لتشجيع العلماء والمهندسين الآخرين على تحقيق أحلام كبيرة.
المرجع مجلة:
- نانا شوميا وآخرون، دليل على حالة حافة هول المغزلية الكمومية في درجة حرارة الغرفة في عازل طوبولوجي عالي الترتيب، مواد الطبيعة (2022). معرف الهوية الرقمي: 10.1038/s41563-022-01304-3
