تحقق فازهای کوانتومی ماکروسکوپی در دمای اتاق یکی از اهداف مهم در فیزیک بنیادی است. فاز هال اسپین کوانتومی یک فاز کوانتومی توپولوژیکی است که دارای یک توده عایق دو بعدی و یک حالت لبه مارپیچ است.
در یک مطالعه جدید، دانشمندان پرینستون اثرات کوانتومی جدیدی را در یک عایق توپولوژیکی در دمای اتاق گزارش کردند. این آزمایش اولین بار است که این اثرات در دمای اتاق مشاهده شده است. دماهای نزدیک به صفر مطلق یا -459 درجه فارنهایت، معمولاً برای القا و مشاهده حالات کوانتومی در عایق های توپولوژیکی (یا -273 درجه سانتیگراد) مورد نیاز است.
این کشف مجموعه جدیدی از فرصت ها را برای ایجاد فناوری های کوانتومی موثرمانند الکترونیک مبتنی بر اسپین، که پتانسیل جایگزینی بسیاری از سیستم‌های الکترونیکی موجود را به نفع سیستم‌هایی که انرژی کمتری مصرف می‌کنند، دارند.
M. Zahid Hasan، استاد فیزیک یوجین هیگینز در دانشگاه پرینستون، که این تحقیق را رهبری کرد، گفت: «رمان توپولوژیکی خواص ماده هم از دیدگاه فیزیک بنیادی و هم برای یافتن کاربردهای بالقوه در نسل بعدی مهندسی کوانتوم و فناوری نانو، به عنوان یکی از گنجینه‌های مورد تقاضا در فیزیک مدرن ظهور کرده‌اند.
این کار با چندین پیشرفت تجربی نوآورانه در آزمایشگاه ما در پرینستون امکان‌پذیر شد.
عایق های توپولوژیکی عنصر اصلی دستگاه هستند که برای کشف اسرار توپولوژی کوانتومی مورد استفاده قرار می گیرند. این یک ابزار ویژه است زیرا داخل آن به عنوان یک عایق عمل می کند و از حرکت آزادانه الکترون ها و رسانش جلوگیری می کند. برق.
با این حال، لبه های دستگاه دارای الکترون های با حرکت آزاد هستند که نشان دهنده رسانایی آنهاست. علاوه بر این، الکترون هایی که در امتداد لبه ها حرکت می کنند، به دلیل ویژگی های منحصر به فرد توپولوژی، با هیچ نقص یا تغییر شکلی مواجه نمی شوند. با بررسی خواص الکتریکی کوانتومی، این دستگاه پتانسیل پیشرفت فناوری را دارد و در عین حال دانش عمیق‌تری از خود ماده را نیز پرورش می‌دهد.
حسن گفت با این حال، تا کنون، یک مانع بزرگ در تلاش برای استفاده از مواد و دستگاه‌ها برای کاربردها در دستگاه‌های کاربردی وجود داشته است. علاقه زیادی به مواد توپولوژیکی وجود دارد و مردم اغلب در مورد پتانسیل بالای آنها برای کاربردهای عملی صحبت می کنند. با این حال، این کاربردها احتمالاً تا زمانی که برخی از اثرات توپولوژیکی کوانتومی ماکروسکوپی در دمای اتاق ظاهر شوند، محقق نشده باقی خواهند ماند.
این به دلیل پدیده ای است که به عنوان "صدای حرارتی" شناخته می شود، که فیزیکدانان آن را به عنوان افزایش دما به نقطه ای که اتم ها شروع به ارتعاش شدید می کنند، تعریف می کنند. این عملیات می تواند با ایجاد اختلال در سیستم های کوانتومی شکننده، حالت کوانتومی را از بین ببرد. به خصوص در مورد عایق های توپولوژیکی، این دماهای بالاتر منجر به وضعیتی می شود که در آن الکترون در سطح عایق به داخل یا "توده" عایق حمله می کنند و الکترون ها را در آنجا وادار می کنند تا اثر کوانتومی منحصر به فرد را هدایت کنند، رقیق کنند یا بشکنند.
با قرار دادن چنین آزمایش‌هایی در دمای کم، معمولاً صفر مطلق یا نزدیک به آن، می‌توان از این امر جلوگیری کرد. ذرات اتمی و زیراتمی در این دماهای کم ارتعاش را متوقف می کنند و کنترل آنها را آسان تر می کند. برای بسیاری از کاربردها، ایجاد و نگهداری یک محیط فوق سرد امکان پذیر نیست زیرا انجام این کار گران، بزرگ و انرژی بر است.
دانشمندان در اینجا روشی نوآورانه برای دور زدن این مشکل ارائه کرده اند. آنها یک عایق توپولوژیکی جدید از بیسموت برومید (فرمول شیمیایی α-Bi4Br4) ساختند. این یک ترکیب کریستالی معدنی است که گاهی اوقات برای تصفیه آب و آنالیزهای شیمیایی استفاده می شود.
نانا شومیا، که دکترای خود را دریافت کرد. در پرینستون، گفت، این فوق‌العاده است که ما آنها را بدون فشار غول‌پیکر یا میدان مغناطیسی فوق‌العاده بالا یافتیم، بنابراین مواد را برای توسعه در دسترس‌تر می‌کنیم. فناوری کوانتومی نسل بعدی. من معتقدم که کشف ما مرز کوانتومی را به طور قابل توجهی پیش خواهد برد."
حسن گفت عایق های توپولوژیکی شبکه کاگوم را می توان به گونه ای طراحی کرد که دارای تلاقی نواری نسبیتی و برهمکنش های الکترون-الکترون قوی باشد. هر دو برای رمان ضروری هستند مغناطیس. بنابراین، متوجه شدیم که آهنرباهای کاگوم سیستم خوبی برای جستجوی فازهای آهنربای توپولوژیکی هستند، زیرا آنها مانند عایق های توپولوژیکی هستند که بیش از ده سال پیش کشف و مطالعه کردیم.
شیمی اتمی و طراحی ساختار مناسب همراه با تئوری اصول اول، گام مهمی برای واقعی ساختن پیش‌بینی گمانه‌زنی عایق توپولوژیکی در محیط با دمای بالا است. صدها ماده توپولوژیکی وجود دارد و ما به شهود، تجربه، محاسبات خاص مواد و تلاش های آزمایشی شدید برای یافتن مواد مناسب برای اکتشاف عمیق نیاز داریم. و این ما را به یک سفر یک دهه ای برای بررسی بسیاری از مواد مبتنی بر بیسموت برد.
حسن و همکارانش خانواده ترکیباتی به نام بیسموت بروماید را در پاسخ به پیشنهاد همکاران و نویسندگان همکار فان ژانگ و یوگی یائو برای بررسی طبقه خاصی از فلزات ویل بررسی کردند. پدیده Weyl اما برای محققین در این مواد قابل مشاهده نبود. در عوض، حسن و تیمش دریافتند که عایق برومید بیسموت دارای ویژگی‌هایی است که آن را نسبت به عایق‌های توپولوژیکی (آلیاژهای Bi-Sb) بر اساس بیسموت-آنتیمونی که قبلاً تحقیق کرده بودند، مطلوب‌تر می‌کند.
دارای یک شکاف عایق قابل توجه بیش از 200 مگا ولت ("میلی الکترون ولت"). این به اندازه کافی بزرگ است تا بر نویز حرارتی غلبه کند اما به اندازه کافی کوچک است تا اثر جفت شدن مدار چرخشی و توپولوژی وارونگی باند را مختل نکند.
حسن گفت «در این مورد، در آزمایش‌های خود، تعادلی بین اثرات جفت شدن مدار چرخشی و عرض شکاف باند بزرگ پیدا کردیم. ما متوجه شدیم که یک "نقطه شیرین" وجود دارد که در آن می توانید یک جفت مدار چرخشی نسبتاً بزرگ برای ایجاد یک پیچش توپولوژیکی و همچنین افزایش شکاف باند بدون از بین بردن آن داشته باشید. این مانند یک نقطه تعادل برای مواد مبتنی بر بیسموت است که ما برای مدت طولانی مطالعه کرده ایم.
هنگامی که آنها توانستند آنچه را در آزمایش با وضوح زیر اتمی با استفاده از یک میکروسکوپ تونل زنی روبشی اتفاق می‌افتد ببینند، ابزار ویژه‌ای که از پدیده‌ای به نام «استفاده می‌کند.تونل زنی کوانتومیدر جایی که الکترون ها بین نوک تیز فلزی و تک اتمی میکروسکوپ و نمونه هدایت می شوند، دانشمندان می دانستند که در هدف خود موفق بوده اند.
حسن گفت برای اولین بار، ما کلاسی از مواد توپولوژیکی مبتنی بر بیسموت را نشان دادیم که توپولوژی تا دمای اتاق زنده می ماند. ما به نتیجه خود بسیار مطمئن هستیم.»
محققان بر این باورند که این پیشرفت دری را به روی احتمالات تحقیقاتی و کاربردهای آینده در فناوری‌های کوانتومی باز خواهد کرد.
شفیات حسین، دانشیار پژوهشی فوق دکتری در آزمایشگاه حسن و یکی دیگر از نویسندگان اول این مطالعه، گفت: ما معتقدیم که این یافته ممکن است نقطه شروع توسعه آینده در فناوری نانو باشد. احتمالات پیشنهادی زیادی در فناوری توپولوژیکی وجود دارد که در انتظار آنهاست و یافتن مواد مناسب همراه با ابزار دقیق جدید یکی از کلیدهای این امر است.
در حال حاضر، تمرکز نظری و تجربی این گروه در دو جهت متمرکز شده است: اول، ما می‌خواهیم تعیین کنیم که چه مواد توپولوژیکی دیگری ممکن است در دمای اتاق عمل کنند، و مهمتر از همه، ابزارها و روش‌های ابزار جدید را برای شناسایی موادی در اختیار دانشمندان دیگر قرار دهیم. در دمای اتاق و بالا کار خواهد کرد.
ثانیاً، اکنون که این یافته امکان انجام آزمایش‌ها را در دماهای بالاتر فراهم کرده است، می‌خواهیم به کاوش عمیق‌تر در دنیای کوانتومی ادامه دهیم.»
حسن گفت:, این مطالعات مستلزم توسعه مجموعه دیگری از ابزار دقیق و تکنیک‌های جدید برای استفاده کامل از پتانسیل عظیم این مواد است. با ابزار جدید ما، من فرصت فوق العاده ای برای کاوش عمیق بیشتر پدیده های کوانتومی عجیب و غریب و پیچیده، ردیابی جزئیات دقیق تر در حالت های کوانتومی ماکروسکوپی می بینم. چه کسی می داند که ما چه چیزی را کشف خواهیم کرد؟»
تحقیقات ما یک گام واقعی به جلو در نشان دادن پتانسیل مواد توپولوژیکی برای کاربردهای صرفه جویی در انرژی است. کاری که ما در اینجا با این آزمایش انجام دادیم، کاشت بذری بود تا دانشمندان و مهندسان دیگر را به رویاهای بزرگ ترغیب کنیم.
مرجع مجله:
- نانا شومیا و همکاران، شواهدی از حالت لبه اسپین کوانتومی در دمای اتاق در یک عایق توپولوژیکی درجه بالاتر، مواد طبیعت (2022) DOI: 10.1038/s41563-022-01304-3
