Makroskoopiliste kvantfaaside realiseerimine toatemperatuuril on üks olulisemaid tegevusi fundamentaalfüüsikas. Kvantspinni Halli faas on topoloogiline kvantfaas, millel on kahemõõtmeline isolatsioonimass ja spiraalne serva olek.
Uues uuringus teatasid Princetoni teadlased uudsetest kvantefektidest toatemperatuuril topoloogilises isolaatoris. See katse on esimene kord, kui neid mõjusid toatemperatuuril täheldati. Topoloogiliste isolaatorite kvantseisundite esilekutsumiseks ja jälgimiseks (või -459 kraadi Celsiuse järgi) on tavaliselt vaja temperatuure absoluutse nulli lähedal või -273 kraadi Fahrenheiti järgi.
See avastus avab loomiseks uued võimalused tõhusad kvanttehnoloogiad, nagu spin-põhine elektroonika, millel on potentsiaal asendada paljud olemasolevad elektroonilised süsteemid vähem energiat kasutavateks.
Uuringut juhtinud Princetoni ülikooli füüsikaprofessor Eugene Higgins M. Zahid Hasan ütles: "Uudne topoloogiline aine omadused on kujunenud üheks ihaldatuimaks aardeks kaasaegses füüsikas nii fundamentaalsest füüsika vaatenurgast kui ka potentsiaalsete rakenduste leidmiseks järgmise põlvkonna kvanttehnikas ja nanotehnoloogiates.
"Seda tööd võimaldasid mitmed uuenduslikud eksperimentaalsed edusammud meie Princetoni laboris."
Topoloogilised isolaatorid on peamine seadme element, mida kasutatakse kvanttopoloogia saladustesse süvenemiseks. See on spetsiaalne vidin, kuna sees toimib isolaatorina, takistades elektronidel vabalt ringi liikuda ja juhtida. elekter.
Seadme servadel on aga vabalt liikuvad elektronid, mis näitavad, et need on juhtivad. Lisaks ei takista mööda servi liikuvaid elektrone topoloogia ainulaadsetest omadustest tulenevad vead ega deformatsioonid. Kvantelektrilisi omadusi uurides on sellel seadmel potentsiaali tehnoloogiat edendada, edendades samal ajal sügavamaid teadmisi ainest endast.
Hasan ütles, "Seni on aga olnud suur komistuskivi nende materjalide ja seadmete kasutamisel funktsionaalsetes seadmetes. Huvi topoloogiliste materjalide vastu on suur ja sageli räägitakse nende suurest potentsiaalist praktiliste rakenduste jaoks. Siiski jäävad need rakendused tõenäoliselt realiseerimata, kuni mõni makroskoopiline kvanttopoloogiline efekt võib ilmneda toatemperatuuril.
See on tingitud nähtusest, mida tuntakse kui "termilist müra", mida füüsikud määratlevad kui temperatuuri tõusu punktini, kus aatomid hakkavad ägedalt vibreerima. See toiming võib hapraid kvantsüsteeme häirides kvantoleku kokku variseda. Eriti topoloogiliste isolaatorite puhul põhjustavad need kõrgemad temperatuurid olukorra, kus elektronid isolaatori pinnal tungivad isolaatori sisemusse ehk "mahutisse" ja indutseerivad ka seal olevaid elektrone ainulaadset kvantefekti juhtima, lahjendama või purustama.
Seda saab vältida, hoides selliseid katseid madala temperatuuriga, tavaliselt absoluutse nulli juures või selle lähedal. Aatomi- ja subatomaarsed osakesed lakkavad nende madalate temperatuuride juures vibreerima, muutes nende kontrollimise lihtsamaks. Paljude rakenduste puhul ei ole ülikülma keskkonna loomine ja säilitamine teostatav, kuna see on kulukas, mahukas ja energiamahukas.
Siinsed teadlased on leidnud uuendusliku viisi sellest probleemist mööda hiilimiseks. Nad valmistasid vismutbromiidist (keemiline valem α-Bi4Br4) uue topoloogilise isolaatori. See on anorgaaniline kristalne ühend, mida mõnikord kasutatakse vee töötlemiseks ja keemilisteks analüüsideks.
Nana Shumiya, kes teenis doktorikraadi. Princetonis ütles: "See on lihtsalt suurepärane, et leidsime need ilma hiiglasliku rõhu või ülikõrge magnetväljata, muutes materjalid arendamiseks kättesaadavamaks. järgmise põlvkonna kvanttehnoloogia. Usun, et meie avastus edendab oluliselt kvantpiiri.
Hasan ütles, "Kagome võre topoloogilisi isolaatoreid saab kujundada nii, et neil oleks relativistlikud ribade ristumiskohad ja tugev elektron-elektron interaktsioon. Mõlemad on romaani jaoks hädavajalikud magnetism. Seetõttu mõistsime, et kagome magnetid on hea süsteem topoloogiliste magnetifaaside otsimiseks, kuna need on nagu topoloogilised isolaatorid, mille avastasime ja uurisime rohkem kui kümme aastat tagasi.
"Esimeste põhimõtete teooriaga ühendatud sobiv aatomikeemia ja -struktuuri disain on otsustava tähtsusega samm, et muuta topoloogilise isolaatori spekulatiivne ennustus kõrgel temperatuuril realistlikuks. Topoloogilisi materjale on sadu ja põhjalikuks uurimiseks vajame intuitsiooni, kogemusi, materjalispetsiifilisi arvutusi ja intensiivseid katselisi jõupingutusi. Ja see viis meid kümne aasta pikkusele teekonnale paljude vismutil põhinevate materjalide uurimisel.
Hasan ja tema kolleegid uurisid vismutbromiidiks nimetatud ühendite perekonda vastuseks kaastöötajate ja kaasautorite Fan Zhangi ja Yugui Yao ettepanekule uurida teatud Weyl metallide klassi. Kuid Weyli fenomen polnud nendes materjalides uurijatele nähtav. Selle asemel leidsid Hasan ja tema meeskond, et vismutbromiidisolaatoril on omadused, mis muudavad selle soovitavamaks kui topoloogilised isolaatorid (Bi-Sb sulamid), mis põhinevad vismut-antimonil, mida nad olid varem uurinud.
Sellel on märkimisväärne isolatsioonipilu üle 200 meV (miljoni elektronvolti). See on piisavalt suur, et ületada termiline müra, kuid piisavalt väike, et see ei häiriks spin-orbiidi sidestusefekti ja ribade inversiooni topoloogiat.
Hasan ütles, "Sel juhul leidsime oma katsetes tasakaalu spin-orbiidi sidestusefektide ja suure ribalaiuse vahel. Leidsime, et seal on "magus koht", kus saab suhteliselt suure pöörlemisorbiidi sidestusega luua topoloogilise keerdumise ja tõsta ribade vahet ilma seda hävitamata. See on nagu tasakaalupunkt vismutipõhistele materjalidele, mida oleme pikka aega uurinud.
Kui nad nägid, mis toimus katses subatomilise eraldusvõimega, kasutades skaneerivat tunnelmikroskoopi, spetsiaalset tööriista, mis kasutab ära nähtust, mida nimetatakse "kvanttunneldamine”, kus elektronid on suunatud mikroskoobi terava metallilise üheaatomilise otsa ja proovi vahele, teadsid teadlased, et neil on eesmärk õnnestunud.
Hasan ütles, "Esmakordselt demonstreerisime vismutil põhinevate topoloogiliste materjalide klassi, mille topoloogia püsib kuni toatemperatuurini. Oleme oma tulemuses väga kindlad.»
"Teadlased usuvad, et see läbimurre avab ukse tuleviku uurimisvõimalustele ja rakendustele kvanttehnoloogiates."
Shafayat Hossain, Hasani labori järeldoktorant ja teine uuringu kaasautor, ütles: "Usume, et see leid võib olla nanotehnoloogia tulevase arengu lähtepunkt. Topoloogilises tehnoloogias on välja pakutud nii palju võimalusi, mis ootavad, ja sobivate materjalide leidmine koos uudsete instrumentidega on selle üks võtmeid.
"Praegu on rühma teoreetiline ja eksperimentaalne fookus koondunud kahte suunda: esiteks tahame kindlaks teha, millised muud topoloogilised materjalid võivad toatemperatuuril töötada, ja mis kõige tähtsam, pakkuda teistele teadlastele tööriistu ja uudseid instrumenteerimismeetodeid materjalide tuvastamiseks, mis töötab toa- ja kõrgel temperatuuril."
"Teiseks tahame jätkata kvantmaailma sügavamale uurimist nüüd, kui see leid on võimaldanud katseid läbi viia kõrgematel temperatuuridel."
Hasan ütles, "Need uuringud nõuavad veel ühe uute instrumentide ja tehnikate väljatöötamist, et nende materjalide tohutut potentsiaali täielikult ära kasutada. Meie uue aparatuuriga näen ma tohutut võimalust eksootiliste ja keeruliste kvantnähtuste edasiseks põhjalikuks uurimiseks, jälgides peenemaid detaile makroskoopilistes kvantolekutes. Kes teab, mida me avastame?"
"Meie uuringud on tõeline samm edasi topoloogiliste materjalide energiasäästurakenduste potentsiaali demonstreerimisel. Selle katsega oleme teinud seemne, et julgustada teisi teadlasi ja insenere suurelt unistama.
Ajakirja viide:
- Nana Shumiya jt, tõendid toatemperatuuri kvantspinni Halli serva oleku kohta kõrgema järgu topoloogilises isolaatoris, Nature Materials (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01304-3
