Realisatie bij kamertemperatuur van macroscopische kwantumfasen is een van de belangrijkste bezigheden in de fundamentele natuurkunde. De kwantumspin-Hall-fase is een topologische kwantumfase met een tweedimensionale isolerende bulk en een spiraalvormige randtoestand.
In een nieuwe studie rapporteerden wetenschappers van Princeton nieuwe kwantumeffecten in een topologische isolator bij kamertemperatuur. Dit experiment is de eerste keer dat deze effecten bij kamertemperatuur zijn waargenomen. Temperaturen nabij het absolute nulpunt, of -459 graden Fahrenheit, zijn meestal vereist om kwantumtoestanden in topologische isolatoren (of -273 graden Celsius) te induceren en te observeren.
Deze ontdekking opent een nieuwe reeks mogelijkheden voor het creëren van effectieve kwantumtechnologieën, zoals op spin gebaseerde elektronica, die het potentieel heeft om veel bestaande elektronische systemen te vervangen ten gunste van systemen die minder energie verbruiken.
M. Zahid Hasan, de Eugene Higgins hoogleraar natuurkunde aan de Princeton University, die het onderzoek leidde, zei: “De nieuwe topologische eigenschappen van materie zijn naar voren gekomen als een van de meest gewilde schatten in de moderne natuurkunde, zowel vanuit fundamenteel natuurkundig oogpunt als voor het vinden van potentiële toepassingen in de volgende generatie kwantumtechniek en nanotechnologieën.”
"Dit werk werd mogelijk gemaakt door meerdere innovatieve experimentele ontwikkelingen in ons laboratorium in Princeton."
Topologische isolatoren zijn het belangrijkste apparaatelement dat wordt gebruikt om de mysteries van de kwantumtopologie te doorgronden. Dit is een bijzonder gadget omdat de binnenkant als isolator fungeert en voorkomt dat de elektronen vrij kunnen bewegen en geleiden elektriciteit.
De randen van het apparaat bevatten echter vrij bewegende elektronen, wat aangeeft dat ze geleidend zijn. Bovendien worden de elektronen die langs de randen bewegen niet gehinderd door fouten of vervormingen vanwege de unieke kenmerken van de topologie. Door kwantumelektrische eigenschappen te onderzoeken heeft dit apparaat het potentieel om de technologie vooruit te helpen en tegelijkertijd een diepere kennis van de materie zelf te bevorderen.
Hasan zei: “Tot nu toe was er echter een groot struikelblok in de zoektocht om de materialen en apparaten te gebruiken voor toepassingen in functionele apparaten. Er is veel belangstelling voor topologische materialen en mensen praten vaak over hun grote potentieel voor praktische toepassingen. Toch zullen deze toepassingen waarschijnlijk niet gerealiseerd blijven totdat een macroscopisch kwantumtopologisch effect zich bij kamertemperatuur kan manifesteren.”
Dit komt door het fenomeen dat bekend staat als ‘thermische ruis’, dat natuurkundigen definiëren als een temperatuurstijging tot het punt waarop de atomen hevig beginnen te trillen. Deze operatie kan de kwantumtoestand doen instorten door kwetsbare kwantumsystemen te ontwrichten. Vooral bij topologische isolatoren leiden deze hogere temperaturen tot een situatie waarin de elektronen op het oppervlak van de isolator dringen het binnenste, of de ‘bulk’, van de isolator binnen en zorgen ervoor dat de elektronen daar ook het unieke kwantumeffect gaan geleiden, verdunnen of breken.
Dit kan worden vermeden door dergelijke experimenten bloot te stellen aan ondiepe temperaturen, meestal op of dichtbij het absolute nulpunt. Atoom- en subatomaire deeltjes stoppen met trillen bij deze lage temperaturen, waardoor ze gemakkelijker te controleren zijn. Voor veel toepassingen is het creëren en onderhouden van een ultrakoude omgeving niet haalbaar, omdat dit duur, groots en energie-intensief is.
Wetenschappers hier hebben een innovatieve manier bedacht om dit probleem te omzeilen. Ze vervaardigden een nieuwe topologische isolator uit bismutbromide (chemische formule α-Bi4Br4). Het is een anorganische kristallijne verbinding die soms wordt gebruikt voor waterbehandeling en chemische analyses.
Nana Shumiya, die haar Ph.D. in Princeton, zei: “Het is gewoon geweldig dat we ze hebben gevonden zonder gigantische druk of een ultrahoog magnetisch veld, waardoor de materialen toegankelijker zijn geworden voor ontwikkeling. kwantumtechnologie van de volgende generatie. Ik geloof dat onze ontdekking de kwantumgrens aanzienlijk zal vergroten.”
Hasan zei: “De topologische isolatoren van het Kagome-rooster kunnen worden ontworpen om relativistische bandovergangen en sterke elektron-elektron-interacties te bezitten. Beide zijn essentieel voor roman magnetisme. Daarom realiseerden we ons dat kagome-magneten een goed systeem zijn om naar topologische magneetfasen te zoeken, omdat ze lijken op de topologische isolatoren die we meer dan tien jaar geleden ontdekten en bestudeerden.”
“Een geschikte atomaire chemie en structuurontwerp gekoppeld aan de theorie van de eerste beginselen is de cruciale stap om de speculatieve voorspelling van de topologische isolator realistisch te maken in een omgeving met hoge temperaturen. Er zijn honderden topologische materialen en we hebben intuïtie, ervaring, materiaalspecifieke berekeningen en intensieve experimentele inspanningen nodig om het juiste materiaal voor diepgaande verkenning te vinden. En dat kostte ons een tien jaar durende reis van onderzoek naar veel op bismut gebaseerde materialen.’
Hasan en zijn collega's onderzochten de familie van verbindingen genaamd bismutbromide als reactie op een voorstel van medewerkers en co-auteurs Fan Zhang en Yugui Yao om een bepaalde klasse Weyl-metalen te onderzoeken. Het Weyl-fenomeen was echter niet zichtbaar voor de onderzoekers in deze materialen. In plaats daarvan ontdekten Hasan en zijn team dat de bismutbromide-isolator eigenschappen bezit die hem wenselijker maken dan topologische isolatoren (Bi-Sb-legeringen) op basis van bismut-antimoon die ze eerder hadden onderzocht.
Het heeft een aanzienlijke isolatieafstand van meer dan 200 meV ("milli-elektronvolt"). Dit is groot genoeg om thermische ruis te ondervangen, maar klein genoeg om het spin-baankoppelingseffect en de bandinversietopologie niet te verstoren.
Hasan zei: “In dit geval hebben we in onze experimenten een balans gevonden tussen spin-orbit-koppelingseffecten en een grote bandbreedte. We ontdekten dat er een 'sweet spot' is waar je een relatief grote spin-baankoppeling kunt hebben om een topologische twist te creëren en de bandkloof te vergroten zonder deze te vernietigen. Het is een soort evenwichtspunt voor de op bismut gebaseerde materialen die we al heel lang bestuderen.”
Toen ze konden zien wat er gebeurde in het experiment met subatomaire resolutie met behulp van een scanning tunneling microscoop, een speciaal hulpmiddel dat gebruik maakt van het fenomeen dat bekend staat als “kwantumtunneling”, waarbij elektronen tussen de scherpe metalen punt van de microscoop en het monster worden gericht, wisten de wetenschappers dat ze in hun doel waren geslaagd.
Hasan zei: “Voor de eerste keer hebben we een klasse van op bismut gebaseerde topologische materialen gedemonstreerd waarvan de topologie tot kamertemperatuur overleeft. Wij hebben veel vertrouwen in ons resultaat.”
“De onderzoekers geloven dat deze doorbraak de deur zal openen naar toekomstige onderzoeksmogelijkheden en toepassingen in kwantumtechnologieën.”
Shafayat Hossain, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in het laboratorium van Hasan en een andere co-eerste auteur van de studie, zei: “Wij geloven dat deze bevinding het startpunt kan zijn van toekomstige ontwikkelingen in de nanotechnologie. Er zijn zoveel voorgestelde mogelijkheden in de topologische technologie die wachten, en het vinden van geschikte materialen in combinatie met nieuwe instrumenten is hiervoor een van de sleutels.
“Momenteel is de theoretische en experimentele focus van de groep geconcentreerd in twee richtingen: ten eerste willen we bepalen welke andere topologische materialen zouden kunnen werken bij kamertemperatuur, en, belangrijker nog, andere wetenschappers de hulpmiddelen en nieuwe instrumentatiemethoden bieden om materialen te identificeren die zal werken bij kamer- en hoge temperaturen.”
“Ten tweede willen we dieper in de kwantumwereld blijven duiken nu deze bevinding het mogelijk heeft gemaakt om experimenten bij hogere temperaturen uit te voeren.”
Hasan zei, “Deze studies zullen de ontwikkeling vereisen van een nieuwe reeks nieuwe instrumenten en technieken om het enorme potentieel van deze materialen volledig te benutten. Met onze nieuwe instrumenten zie ik een enorme kans voor een verdere diepgaande verkenning van exotische en complexe kwantumfenomenen, waarbij fijnere details in macroscopische kwantumtoestanden worden gevolgd. Wie weet wat we zullen ontdekken?”
“Ons onderzoek is een echte stap voorwaarts in het aantonen van het potentieel van topologische materialen voor energiebesparende toepassingen. Wat we hier met dit experiment hebben gedaan, is een zaadje planten om andere wetenschappers en ingenieurs aan te moedigen groots te dromen.”
Journal Reference:
- Nana Shumiya et al., Bewijs van een kwantumspin Hall-randtoestand bij kamertemperatuur in een topologische isolator van hogere orde, Natuur materialen (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01304-3
