Η πραγματοποίηση μακροσκοπικών κβαντικών φάσεων σε θερμοκρασία δωματίου είναι μία από τις σημαντικές επιδιώξεις στη θεμελιώδη φυσική. Η φάση του κβαντικού σπιν Hall είναι μια τοπολογική κβαντική φάση που διαθέτει δισδιάστατο μονωτικό όγκο και ελικοειδή ακμή.
Σε μια νέα μελέτη, οι επιστήμονες του Πρίνστον ανέφεραν νέα κβαντικά αποτελέσματα σε έναν τοπολογικό μονωτή σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτό το πείραμα είναι η πρώτη φορά που παρατηρούνται αυτά τα αποτελέσματα σε θερμοκρασία δωματίου. Οι θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, ή -459 βαθμοί Φαρενάιτ, απαιτούνται συνήθως για να επάγουν και να παρατηρήσουν κβαντικές καταστάσεις σε τοπολογικούς μονωτές (ή -273 βαθμούς Κελσίου).
Αυτή η ανακάλυψη ανοίγει ένα νέο σύνολο ευκαιριών για τη δημιουργία αποτελεσματικές κβαντικές τεχνολογίες, όπως τα ηλεκτρονικά που βασίζονται στο σπιν, τα οποία έχουν τη δυνατότητα να αντικαταστήσουν πολλά υπάρχοντα ηλεκτρονικά συστήματα υπέρ αυτών που καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια.
Ο M. Zahid Hasan, καθηγητής Φυσικής Eugene Higgins στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, ο οποίος ηγήθηκε της έρευνας, είπε: «Το μυθιστόρημα τοπολογικό ιδιότητες της ύλης έχουν αναδειχθεί ως ένας από τους πιο περιζήτητους θησαυρούς στη σύγχρονη φυσική, τόσο από θεμελιώδη φυσική άποψη όσο και για την εύρεση πιθανών εφαρμογών στην κβαντική μηχανική και τις νανοτεχνολογίες επόμενης γενιάς».
«Αυτή η εργασία έγινε δυνατή από πολλαπλές καινοτόμες πειραματικές εξελίξεις στο εργαστήριό μας στο Πρίνστον».
Οι τοπολογικοί μονωτές είναι το κύριο στοιχείο της συσκευής που χρησιμοποιείται για την εμβάθυνση στα μυστήρια της κβαντικής τοπολογίας. Αυτό είναι ένα ειδικό gadget επειδή το εσωτερικό λειτουργεί ως μονωτικό, εμποδίζοντας τα ηλεκτρόνια να κινούνται ελεύθερα και να αγώγουν ηλεκτρικής ενέργειας.
Ωστόσο, τα άκρα της συσκευής έχουν ελεύθερα κινούμενα ηλεκτρόνια, υποδεικνύοντας ότι είναι αγώγιμα. Επιπλέον, τα ηλεκτρόνια που κινούνται κατά μήκος των ακμών δεν εμποδίζονται από ελαττώματα ή παραμορφώσεις λόγω των μοναδικών χαρακτηριστικών της τοπολογίας. Εξετάζοντας τις κβαντικές ηλεκτρικές ιδιότητες, αυτή η συσκευή έχει τη δυνατότητα να προάγει την τεχνολογία ενώ παράλληλα ενθαρρύνει μια βαθύτερη γνώση της ίδιας της ύλης.
Ο Χασάν είπε, «Μέχρι τώρα, ωστόσο, υπήρχε ένα σημαντικό εμπόδιο στην αναζήτηση χρήσης υλικών και συσκευών για εφαρμογές σε λειτουργικές συσκευές. Υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για τα τοπολογικά υλικά και οι άνθρωποι συχνά μιλούν για τις μεγάλες δυνατότητές τους για πρακτικές εφαρμογές. Ωστόσο, αυτές οι εφαρμογές πιθανότατα θα παραμείνουν απραγματοποίητες μέχρι να εκδηλωθεί κάποιο μακροσκοπικό κβαντικό τοπολογικό φαινόμενο σε θερμοκρασία δωματίου».
Αυτό οφείλεται στο φαινόμενο που είναι γνωστό ως «θερμικός θόρυβος», τον οποίο οι φυσικοί ορίζουν ως αύξηση της θερμοκρασίας στο σημείο όπου τα άτομα αρχίζουν να δονούνται βίαια. Αυτή η λειτουργία μπορεί να καταρρεύσει την κβαντική κατάσταση διαταράσσοντας εύθραυστα κβαντικά συστήματα. Ιδιαίτερα με τους τοπολογικούς μονωτές, αυτές οι υψηλότερες θερμοκρασίες οδηγούν σε μια κατάσταση στην οποία το ηλεκτρόνια στην επιφάνεια του μονωτήρα εισβάλλουν στο εσωτερικό, ή «ογκώδες», του μονωτή και προκαλούν τα ηλεκτρόνια εκεί επίσης να αρχίσουν να αγώγουν, να αραιώνουν ή να σπάζουν το μοναδικό κβαντικό φαινόμενο.
Αυτό μπορεί να αποφευχθεί με την έκθεση τέτοιων πειραμάτων σε ρηχές θερμοκρασίες, συνήθως στο απόλυτο μηδέν ή κοντά στο απόλυτο μηδέν. Τα ατομικά και υποατομικά σωματίδια σταματούν να δονούνται σε αυτές τις ρηχές θερμοκρασίες, καθιστώντας ευκολότερο τον έλεγχό τους. Για πολλές εφαρμογές, η δημιουργία και η διατήρηση ενός εξαιρετικά κρύου περιβάλλοντος δεν είναι εφικτή επειδή είναι δαπανηρή, μεγάλη και ενεργοβόρα.
Οι επιστήμονες εδώ έχουν βρει έναν καινοτόμο τρόπο για να παρακάμψουν αυτό το πρόβλημα. Κατασκεύασαν έναν νέο τοπολογικό μονωτή από βρωμιούχο βισμούθιο (χημικός τύπος α-Bi4Br4). Είναι μια ανόργανη κρυσταλλική ένωση που μερικές φορές χρησιμοποιείται για επεξεργασία νερού και χημικές αναλύσεις.
Η Nana Shumiya, η οποία απέκτησε το διδακτορικό της. στο Πρίνστον, είπε, «Είναι καταπληκτικό που τα βρήκαμε χωρίς γιγάντια πίεση ή εξαιρετικά υψηλό μαγνητικό πεδίο, καθιστώντας έτσι τα υλικά πιο προσιτά για ανάπτυξη κβαντική τεχνολογία επόμενης γενιάς. Πιστεύω ότι η ανακάλυψή μας θα προωθήσει σημαντικά τα κβαντικά σύνορα».
Ο Χασάν είπε, «Οι τοπολογικοί μονωτές πλέγματος kagome μπορούν να σχεδιαστούν για να διαθέτουν σχετικιστικές διασταυρώσεις ζώνης και ισχυρές αλληλεπιδράσεις ηλεκτρονίου-ηλεκτρονίου. Και τα δύο είναι απαραίτητα για το μυθιστόρημα μαγνητισμός. Επομένως, συνειδητοποιήσαμε ότι οι μαγνήτες kagome είναι ένα καλό σύστημα για την αναζήτηση φάσεων τοπολογικών μαγνητών, καθώς είναι σαν τους τοπολογικούς μονωτές που ανακαλύψαμε και μελετήσαμε πριν από περισσότερα από δέκα χρόνια».
«Ένας κατάλληλος σχεδιασμός ατομικής χημείας και δομής σε συνδυασμό με τη θεωρία των πρώτων αρχών είναι το κρίσιμο βήμα για να γίνει ρεαλιστική η κερδοσκοπική πρόβλεψη του τοπολογικού μονωτή σε μια ρύθμιση υψηλής θερμοκρασίας. Υπάρχουν εκατοντάδες τοπολογικά υλικά και χρειαζόμαστε διαίσθηση, εμπειρία, υπολογισμούς ειδικά για υλικά και έντονες πειραματικές προσπάθειες για να βρούμε το κατάλληλο υλικό για εις βάθος εξερεύνηση. Και αυτό μας οδήγησε σε ένα ταξίδι δεκαετίας διερεύνησης πολλών υλικών με βάση το βισμούθιο».
Ο Χασάν και οι συνάδελφοί του ερεύνησαν την οικογένεια των ενώσεων που ονομάζονται βρωμιούχο βισμούθιο ως απάντηση σε μια πρόταση των συνεργατών και των συν-συγγραφέων Fan Zhang και Yugui Yao να ερευνήσουν μια συγκεκριμένη κατηγορία μετάλλων Weyl. Το φαινόμενο Weyl, ωστόσο, δεν ήταν ορατό στους ερευνητές σε αυτά τα υλικά. Αντίθετα, ο Hasan και η ομάδα του διαπίστωσαν ότι ο μονωτήρας βρωμιούχου βισμούθιου διαθέτει χαρακτηριστικά που τον καθιστούν πιο επιθυμητό από τους τοπολογικούς μονωτές (κράματα Bi-Sb) με βάση το βισμούθιο-αντιμόνιο που είχαν ερευνήσει προηγουμένως.
Έχει ένα μεγάλο μονωτικό διάκενο άνω των 200 meV («milli electron volt»). Αυτό είναι αρκετά μεγάλο για να υπερνικήσει τον θερμικό θόρυβο, αλλά αρκετά μικρό ώστε να μην διαταράξει το φαινόμενο σύζευξης περιστροφικής τροχιάς και την τοπολογία αναστροφής ζώνης.
Ο Χασάν είπε, «Σε αυτή την περίπτωση, στα πειράματά μας, βρήκαμε μια ισορροπία μεταξύ των φαινομένων σύζευξης περιστροφικής τροχιάς και του μεγάλου πλάτους χάσματος ζώνης. Βρήκαμε ότι υπάρχει ένα «γλυκό σημείο» όπου μπορείτε να έχετε μια σχετικά μεγάλη σύζευξη περιστροφικής τροχιάς για να δημιουργήσετε μια τοπολογική συστροφή καθώς και να αυξήσετε το χάσμα ζώνης χωρίς να το καταστρέψετε. Είναι σαν ένα σημείο ισορροπίας για τα υλικά με βάση το βισμούθιο που μελετάμε εδώ και πολύ καιρό».
Όταν μπορούσαν να δουν τι συνέβαινε στο πείραμα με υποατομική ανάλυση χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας, ένα ειδικό εργαλείο που χρησιμοποιεί το φαινόμενο γνωστό ως «κβαντική σήραγγα», όπου τα ηλεκτρόνια κατευθύνονται ανάμεσα στην αιχμηρή μεταλλική άκρη ενός ατόμου του μικροσκοπίου και στο δείγμα, οι επιστήμονες γνώριζαν ότι είχαν πετύχει τον στόχο τους.
Ο Χασάν είπε, «Για πρώτη φορά, επιδείξαμε μια κατηγορία τοπολογικών υλικών με βάση το βισμούθιο ότι η τοπολογία επιβιώνει μέχρι τη θερμοκρασία δωματίου. Είμαστε πολύ σίγουροι για το αποτέλεσμα μας».
«Οι ερευνητές πιστεύουν ότι αυτή η σημαντική ανακάλυψη θα ανοίξει την πόρτα σε μελλοντικές ερευνητικές δυνατότητες και εφαρμογές στις κβαντικές τεχνολογίες».
Ο Shafayat Hossain, μεταδιδακτορικός επιστημονικός συνεργάτης στο εργαστήριο του Hasan και ένας άλλος συν-πρώτος συγγραφέας της μελέτης, είπε: «Πιστεύουμε ότι αυτό το εύρημα μπορεί να είναι το σημείο εκκίνησης της μελλοντικής ανάπτυξης στη νανοτεχνολογία. Έχουν προταθεί τόσες πολλές δυνατότητες στην τοπολογική τεχνολογία που περιμένουν, και η εύρεση κατάλληλων υλικών σε συνδυασμό με νέα όργανα είναι ένα από τα κλειδιά για αυτό».
«Επί του παρόντος, η θεωρητική και πειραματική εστίαση της ομάδας επικεντρώνεται σε δύο κατευθύνσεις: Πρώτον, θέλουμε να προσδιορίσουμε ποια άλλα τοπολογικά υλικά θα μπορούσαν να λειτουργήσουν σε θερμοκρασία δωματίου και, κυρίως, να παρέχουμε σε άλλους επιστήμονες τα εργαλεία και τις νέες μεθόδους οργάνων για την αναγνώριση υλικών που θα λειτουργήσει σε υψηλές θερμοκρασίες δωματίου.»
«Δεύτερον, θέλουμε να συνεχίσουμε να διερευνούμε βαθύτερα τον κβαντικό κόσμο τώρα που αυτό το εύρημα κατέστησε δυνατή τη διεξαγωγή πειραμάτων σε υψηλότερες θερμοκρασίες».
Hasan είπε, «Αυτές οι μελέτες θα απαιτήσουν την ανάπτυξη ενός άλλου συνόλου νέων οργάνων και τεχνικών για την πλήρη αξιοποίηση των τεράστιων δυνατοτήτων αυτών των υλικών. Με τα νέα μας όργανα, βλέπω μια τεράστια ευκαιρία για περαιτέρω σε βάθος εξερεύνηση εξωτικών και πολύπλοκων κβαντικών φαινομένων, παρακολουθώντας λεπτότερες λεπτομέρειες σε μακροσκοπικές κβαντικές καταστάσεις. Ποιος ξέρει τι θα ανακαλύψουμε;»
«Η έρευνά μας είναι ένα πραγματικό βήμα προς τα εμπρός για την επίδειξη των δυνατοτήτων των τοπολογικών υλικών για εφαρμογές εξοικονόμησης ενέργειας. Αυτό που κάναμε εδώ με αυτό το πείραμα είναι να φυτέψουμε έναν σπόρο για να ενθαρρύνουμε άλλους επιστήμονες και μηχανικούς να ονειρεύονται μεγάλα».
Αναφορά στο περιοδικό:
- Nana Shumiya et al., Απόδειξη μιας κατάστασης ακμής κβαντικής περιστροφής Hall σε θερμοκρασία δωματίου σε τοπολογικό μονωτή υψηλότερης τάξης, Φύση Υλικά (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01304-3
