Makroskooppisten kvanttivaiheiden toteuttaminen huoneenlämpötilassa on yksi tärkeimmistä perusfysiikan pyrkimyksistä. Kvanttispin Hall-vaihe on topologinen kvanttivaihe, jossa on kaksiulotteinen eristävä bulkki ja kierteinen reunatila.
Uudessa tutkimuksessa Princetonin tutkijat raportoivat uusista kvanttivaikutuksista topologisessa eristimessä huoneenlämpötilassa. Tämä koe on ensimmäinen kerta, kun nämä vaikutukset on havaittu huoneenlämpötilassa. Lämpötilat lähellä absoluuttista nollaa tai -459 Fahrenheit-astetta tarvitaan yleensä kvanttitilojen indusoimiseksi ja tarkkailemiseksi topologisissa eristimissä (tai -273 celsiusastetta).
Tämä löytö avaa uusia mahdollisuuksia luomiseen tehokkaita kvanttitekniikoita, kuten spin-pohjainen elektroniikka, jolla on potentiaalia korvata monet olemassa olevat elektroniset järjestelmät vähemmän energiaa käyttävien järjestelmien hyväksi.
M. Zahid Hasan, Princetonin yliopiston fysiikan professori Eugene Higgins, joka johti tutkimusta, sanoi: "Uusi topologinen aineen ominaisuuksia ovat nousseet yhdeksi modernin fysiikan halutuimmista aarteista sekä fysiikan perusnäkökulmasta että mahdollisten sovellusten löytämiseksi seuraavan sukupolven kvanttitekniikassa ja nanoteknologiassa.
"Tämän työn mahdollistivat useat innovatiiviset kokeelliset edistysaskeleet Princetonin laboratoriossamme."
Topologiset eristimet ovat ensisijainen laiteelementti, jota käytetään kvanttitopologian mysteereihin kaivautumiseen. Tämä on erityinen vempain, koska sisäosa toimii eristeenä, joka estää elektroneja liikkumasta vapaasti ja johtamasta sähkö.
Laitteen reunoilla on kuitenkin vapaasti liikkuvia elektroneja, mikä osoittaa, että ne ovat johtavia. Lisäksi reunoja pitkin liikkuvia elektroneja ei estä mitkään topologian ainutlaatuisista ominaisuuksista johtuvat viat tai muodonmuutokset. Kvanttisähköisiä ominaisuuksia tutkimalla tällä laitteella on potentiaalia edistää teknologiaa ja samalla edistää syvempää tietoa itse aineesta.
Hasan sanoi, ”Tähän asti on kuitenkin ollut suuri kompastuskivi pyrkimys käyttää materiaaleja ja laitteita sovelluksiin toiminnallisissa laitteissa. Topologiset materiaalit ovat erittäin kiinnostuneita ja usein puhutaan niiden suurista mahdollisuuksista käytännön sovelluksiin. Silti nämä sovellukset jäävät todennäköisesti toteutumatta, kunnes jokin makroskooppinen kvanttitopologinen vaikutus voi ilmetä huoneenlämpötilassa.
Tämä johtuu ilmiöstä, joka tunnetaan nimellä "lämpökohina", jonka fyysikot määrittelevät lämpötilan nousuksi pisteeseen, jossa atomit alkavat värähtää voimakkaasti. Tämä operaatio voi romuttaa kvanttitilan häiritsemällä hauraita kvanttijärjestelmiä. Erityisesti topologisten eristeiden kanssa nämä korkeammat lämpötilat johtavat tilanteeseen, jossa elektronit eristeen pinnalla tunkeutuvat eristeen sisäosaan tai "bulkkiin" ja saavat elektronit myös siellä alkamaan johtaa, laimentaa tai rikkoa ainutlaatuista kvanttivaikutusta.
Tämä voidaan välttää altistamalla tällaiset kokeet matalille lämpötiloille, yleensä absoluuttisessa nollassa tai lähellä sitä. Atomi- ja subatomiset hiukkaset lopettavat värähtelyn näissä matalissa lämpötiloissa, mikä tekee niistä helpompia hallita. Monissa sovelluksissa erittäin kylmän ympäristön luominen ja ylläpitäminen ei ole mahdollista, koska se on kallista, suurta ja energiaintensiivistä.
Täällä olevat tutkijat ovat keksineet innovatiivisen tavan kiertää tämä ongelma. He valmistivat uuden topologisen eristimen vismuttibromidista (kemiallinen kaava α-Bi4Br4). Se on epäorgaaninen kiteinen yhdiste, jota joskus käytetään vedenkäsittelyyn ja kemiallisiin analyyseihin.
Nana Shumiya, joka ansaitsi tohtorinsa Princetonissa, sanoi "On aivan mahtavaa, että löysimme ne ilman jättimäistä painetta tai erittäin suurta magneettikenttää, jolloin materiaalit ovat helpompia kehittää seuraavan sukupolven kvanttiteknologiaa. Uskon, että löytömme edistää merkittävästi kvanttirajaa."
Hasan sanoi, "Kagome-hilatopologiset eristeet voidaan suunnitella siten, että niissä on relativistisia kaistanristeyksiä ja voimakkaita elektroni-elektronivuorovaikutuksia. Molemmat ovat tärkeitä romaanille magnetismi. Siksi ymmärsimme, että kagomemagneetit ovat hyvä järjestelmä topologisten magneettien vaiheiden etsimiseen, koska ne ovat kuin topologiset eristeet, jotka löysimme ja tutkimme yli kymmenen vuotta sitten.
”Sopiva atomikemian ja rakenteen suunnittelu yhdistettynä ensisijaisten periaatteiden teoriaan on ratkaiseva askel, jotta topologisen eristeen spekulatiivisesta ennustuksesta tulee realistinen korkeassa lämpötilassa. Topologisia materiaaleja on satoja, ja tarvitsemme intuitiota, kokemusta, materiaalikohtaisia laskelmia ja intensiivisiä kokeellisia ponnisteluja löytääksemme oikean materiaalin syvälliseen tutkimiseen. Ja se vei meidät vuosikymmenen mittaiselle matkalle tutkia monia vismuttipohjaisia materiaaleja."
Hasan ja hänen kollegansa tutkivat vismuttibromidiksi kutsuttujen yhdisteiden perhettä vastauksena yhteistyökumppaneiden ja kirjoittajien Fan Zhangin ja Yugui Yaon ehdotukseen tutkia tiettyä Weyl-metallien luokkaa. Weyl-ilmiö ei kuitenkaan ollut näissä materiaaleissa tutkijoiden nähtävissä. Sen sijaan Hasan ja hänen tiiminsä havaitsivat, että vismuttibromidieristeellä on ominaisuuksia, jotka tekevät siitä halutumman kuin topologiset eristeet (Bi-Sb-lejeeringit), jotka perustuvat aiemmin tutkimaansa vismutti-antimoniin.
Siinä on huomattava, yli 200 meV ("milj. elektronivolttia") eristysrako. Tämä on riittävän suuri lämpökohinan voittamiseksi, mutta tarpeeksi pieni, jotta se ei häiritse spin-kiertoradan kytkentävaikutusta ja kaistan inversiotopologiaa.
Hasan sanoi, "Tässä tapauksessa kokeissamme löysimme tasapainon spin-orbit-kytkentäefektien ja suuren kaistavälin leveyden välillä. Löysimme, että siellä on "suloinen kohta", jossa voi olla suhteellisen suuri spin-orbit -kytkentä luodaksesi topologisen kierteen sekä nostaaksesi kaistaväliä tuhoamatta sitä. Se on kuin tasapainopiste vismuttipohjaisille materiaaleille, joita olemme tutkineet pitkään.”
Kun he näkivät, mitä tapahtui kokeessa subatomiresoluutiolla käyttämällä pyyhkäisytunnelimikroskooppia, erikoistyökalua, joka hyödyntää ilmiötä, joka tunnetaan nimellä "kvanttitunnelointi”, jossa elektronit ohjataan mikroskoopin terävän metallisen, yhden atomin kärjen ja näytteen väliin, tiedemiehet tiesivät onnistuneensa tavoitteessaan.
Hasan sanoi, "Esittelimme ensimmäistä kertaa luokan vismuttipohjaisia topologisia materiaaleja, joiden topologia kestää huoneenlämpötilaan asti. Olemme erittäin luottavaisia tulokseemme."
"Tutkijat uskovat, että tämä läpimurto avaa oven tuleville tutkimusmahdollisuuksille ja sovelluksille kvanttiteknologioissa."
Shafayat Hossain, Hasanin laboratorion tutkijatohtori ja toinen tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja, sanoi: "Uskomme, että tämä havainto voi olla lähtökohta nanoteknologian tulevalle kehitykselle. Topologisessa tekniikassa on ehdotettu niin monia mahdollisuuksia, jotka odottavat, ja sopivien materiaalien löytäminen yhdessä uudenlaisen instrumentoinnin kanssa on yksi avaimista tähän.
"Tällä hetkellä ryhmän teoreettinen ja kokeellinen painopiste on keskittynyt kahteen suuntaan: Ensinnäkin haluamme selvittää, mitkä muut topologiset materiaalit voisivat toimia huoneenlämmössä, ja mikä tärkeintä, tarjota muille tutkijoille työkalut ja uudet instrumentointimenetelmät materiaalien tunnistamiseen, jotka toimii huoneen ja korkeissa lämpötiloissa."
"Toiseksi haluamme jatkaa tutkimista syvemmälle kvanttimaailmaan nyt, kun tämä löytö on mahdollistanut kokeiden suorittamisen korkeammissa lämpötiloissa."
Hasan sanoi, "Nämä tutkimukset vaativat uuden sarjan uusia instrumentteja ja tekniikoita, jotta näiden materiaalien valtava potentiaali voidaan hyödyntää täysimääräisesti. Näen uuden instrumentointimme ansiosta valtavan mahdollisuuden tutkia edelleen syvällisesti eksoottisia ja monimutkaisia kvanttiilmiöitä ja seurata tarkempia yksityiskohtia makroskooppisissa kvanttitiloissa. Kuka tietää, mitä löydämme?"
”Tutkimuksemme on todellinen askel eteenpäin topologisten materiaalien potentiaalin osoittamisessa energiaa säästäviin sovelluksiin. Olemme tehneet tässä kokeessa siemenen, joka rohkaisee muita tutkijoita ja insinöörejä unelmoimaan suuresta.
Lehden viite:
- Nana Shumiya et ai., Todisteet huoneenlämpötilan kvanttispin Hallin reunatilasta korkeamman asteen topologisessa eristimessä, Luonto Materiaalit (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01304-3
