Realizacja makroskopowych faz kwantowych w temperaturze pokojowej jest jednym z najważniejszych osiągnięć fizyki podstawowej. Kwantowa faza Halla ze spinem jest topologiczną fazą kwantową, która charakteryzuje się dwuwymiarową masą izolacyjną i spiralnym stanem krawędzi.
W nowym badaniu naukowcy z Princeton odnotowali nowatorskie efekty kwantowe w izolatorze topologicznym w temperaturze pokojowej. W tym eksperymencie po raz pierwszy zaobserwowano takie efekty w temperaturze pokojowej. Do indukowania i obserwacji stanów kwantowych w izolatorach topologicznych (lub -459 stopni Celsjusza) zwykle wymagana jest temperatura bliska zera absolutnego, czyli -273 stopni Fahrenheita.
Odkrycie to otwiera nowe możliwości tworzenia efektywne technologie kwantowe, takie jak elektronika spinowa, które mogą zastąpić wiele istniejących systemów elektronicznych na rzecz systemów zużywających mniej energii.
M. Zahid Hasan, profesor fizyki Eugene Higgins na Uniwersytecie Princeton, który kierował badaniami, powiedział: „Nowa topologia właściwości materii okazały się jednym z najbardziej poszukiwanych skarbów współczesnej fizyki, zarówno z podstawowego punktu widzenia fizyki, jak i ze względu na znalezienie potencjalnych zastosowań w inżynierii kwantowej i nanotechnologiach nowej generacji”.
„Praca ta była możliwa dzięki wielu innowacyjnym postępom eksperymentalnym w naszym laboratorium w Princeton”.
Izolatory topologiczne są głównym elementem urządzeń wykorzystywanym do zgłębiania tajemnic topologii kwantowej. Jest to wyjątkowy gadżet, ponieważ jego wnętrze działa jak izolator, uniemożliwiając swobodne poruszanie się i przewodzenie elektronów elektryczność.
Jednak na krawędziach urządzenia znajdują się swobodnie poruszające się elektrony, co wskazuje, że są one przewodzące. Dodatkowo, elektronom poruszającym się wzdłuż krawędzi nie przeszkadzają żadne wady ani deformacje ze względu na unikalne cechy topologii. Badając kwantowe właściwości elektryczne, urządzenie to może przyczynić się do rozwoju technologii, a jednocześnie pogłębić wiedzę o samej materii.
Hasan powiedział: „Jednak do tej pory istniała poważna przeszkoda w dążeniu do wykorzystania materiałów i urządzeń do zastosowań w urządzeniach funkcjonalnych. Zainteresowanie materiałami topologicznymi jest duże i często mówi się o ich ogromnym potencjale zastosowań praktycznych. Mimo to zastosowania te prawdopodobnie pozostaną niezrealizowane, dopóki w temperaturze pokojowej nie zamanifestuje się makroskopowy kwantowy efekt topologiczny”.
Dzieje się tak na skutek zjawiska zwanego „szumem termicznym”, które fizycy definiują jako wzrost temperatury do punktu, w którym atomy zaczynają gwałtownie wibrować. Operacja ta może załamać stan kwantowy poprzez zakłócenie delikatnych układów kwantowych. Szczególnie w przypadku izolatorów topologicznych te wyższe temperatury prowadzą do sytuacji, w której elektrony na powierzchni izolatora wnikają do wnętrza, czyli „masy” izolatora i indukują znajdujące się tam elektrony, aby zaczęły przewodzić, rozcieńczać lub przerywać unikalny efekt kwantowy.
Można tego uniknąć, wystawiając takie eksperymenty na działanie płytkich temperatur, zwykle równych lub bliskich zera absolutnego. Cząsteczki atomowe i subatomowe przestają wibrować w tak płytkich temperaturach, co ułatwia ich kontrolowanie. W przypadku wielu zastosowań utworzenie i utrzymanie ultrazimnego środowiska jest niewykonalne, ponieważ jest to kosztowne, duże i energochłonne.
Naukowcy wymyślili innowacyjny sposób na ominięcie tego problemu. Wyprodukowali nowy izolator topologiczny z bromku bizmutu (wzór chemiczny α-Bi4Br4). Jest to nieorganiczny związek krystaliczny, czasami używany do uzdatniania wody i analiz chemicznych.
Nana Shumiya, która uzyskała stopień doktora. w Princeton powiedział, „To po prostu wspaniałe, że znaleźliśmy je bez olbrzymiego ciśnienia i bardzo wysokiego pola magnetycznego, dzięki czemu materiały stały się bardziej dostępne do opracowania technologia kwantowa nowej generacji. Wierzę, że nasze odkrycie znacząco przesunie granicę kwantową.”
Hasan powiedział: „Izolatory topologiczne siatki kagome można zaprojektować tak, aby posiadały relatywistyczne przejścia pasm i silne oddziaływania elektron-elektron. Obydwa są niezbędne dla powieści magnetyzm. Dlatego zdaliśmy sobie sprawę, że magnesy kagome to dobry system do poszukiwania topologicznych faz magnesów, ponieważ przypominają izolatory topologiczne, które odkryliśmy i badaliśmy ponad dziesięć lat temu”.
„Odpowiednia chemia atomowa i projekt struktury w połączeniu z teorią pierwszych zasad to kluczowy krok w kierunku urealnienia przewidywań spekulacyjnych izolatora topologicznego w warunkach wysokiej temperatury. Istnieją setki materiałów topologicznych i potrzebujemy intuicji, doświadczenia, obliczeń specyficznych dla materiałów i intensywnych wysiłków eksperymentalnych, aby znaleźć odpowiedni materiał do dogłębnych badań. To zabrało nas w trwającą dekadę podróż w celu badania wielu materiałów na bazie bizmutu.”
Hasan i jego współpracownicy zbadali rodzinę związków zwanych bromkiem bizmutu w odpowiedzi na propozycję współpracowników i współautorów Fan Zhanga i Yugui Yao, aby zbadać konkretną klasę metali Weyla. Zjawisko Weyla nie było jednak widoczne dla badaczy w tych materiałach. Zamiast tego Hasan i jego zespół odkryli, że izolator bromku bizmutu ma właściwości, które czynią go bardziej pożądanym niż izolatory topologiczne (stopy Bi-Sb) na bazie bizmutu i antymonu, które badali wcześniej.
Posiada znaczną szczelinę izolacyjną wynoszącą ponad 200 meV („milielektronowolt”). Jest to wystarczająco duże, aby przezwyciężyć szum termiczny, ale wystarczająco małe, aby nie zakłócać efektu sprzężenia spin-orbita i topologii inwersji pasma.
Hasan powiedział: „W tym przypadku w naszych eksperymentach znaleźliśmy równowagę pomiędzy efektami sprzężenia spin-orbita a dużą szerokością pasma wzbronionego. Odkryliśmy, że istnieje „najlepszy punkt”, w którym można uzyskać stosunkowo duże sprzężenie spin-orbita, aby utworzyć skręt topologiczny, a także zwiększyć pasmo wzbronione bez jego niszczenia. To jak punkt równowagi dla materiałów na bazie bizmutu, które badaliśmy od długiego czasu”.
Kiedy mogli zobaczyć, co się dzieje w eksperymencie z rozdzielczością subatomową, za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego, specjalnego narzędzia wykorzystującego zjawisko znane jako „tunelowanie kwantowe”, gdzie elektrony są kierowane pomiędzy ostrą, metaliczną, jednoatomową końcówką mikroskopu a próbką, naukowcy wiedzieli, że osiągnęli swój cel.
Hasan powiedział: „Po raz pierwszy zademonstrowaliśmy klasę materiałów topologicznych na bazie bizmutu, których topologia przetrwa do temperatury pokojowej. Jesteśmy bardzo pewni naszego wyniku.”
„Naukowcy wierzą, że ten przełom otworzy drzwi do przyszłych możliwości badawczych i zastosowań w technologiach kwantowych”.
Shafayat Hossain, pracownik naukowy ze stopniem doktora w laboratorium Hasana i kolejny współautor badania, powiedział: „Wierzymy, że to odkrycie może być punktem wyjścia dla przyszłego rozwoju nanotechnologii. W technologii topologicznej zaproponowano wiele możliwości, a znalezienie odpowiednich materiałów w połączeniu z nowatorskim oprzyrządowaniem jest jednym z kluczy do osiągnięcia tego celu”.
„Obecnie teoretyczne i eksperymentalne zainteresowania grupy skupiają się w dwóch kierunkach: po pierwsze, chcemy określić, jakie inne materiały topologiczne mogą działać w temperaturze pokojowej i, co ważne, zapewnić innym naukowcom narzędzia i nowatorskie metody oprzyrządowania do identyfikacji materiałów, które będzie działać w temperaturze pokojowej i w wysokich temperaturach.”
„Po drugie, teraz, gdy to odkrycie umożliwiło prowadzenie eksperymentów w wyższych temperaturach, chcemy nadal badać głębiej świat kwantowy”.
Hasan powiedziany, „Badania te będą wymagały opracowania innego zestawu nowych instrumentów i technik, aby w pełni wykorzystać ogromny potencjał tych materiałów. Dzięki naszemu nowemu instrumentarium widzę ogromną szansę na dalsze dogłębne badanie egzotycznych i złożonych zjawisk kwantowych, śledzenie drobniejszych szczegółów w makroskopowych stanach kwantowych. Kto wie, co odkryjemy?”
„Nasze badania stanowią prawdziwy krok naprzód w wykazywaniu potencjału materiałów topologicznych w zastosowaniach energooszczędnych. W ramach tego eksperymentu zasialiśmy ziarno, aby zachęcić innych naukowców i inżynierów do wielkich marzeń”.
Referencje czasopisma:
- Nana Shumiya i in., Dowód stanu krawędziowego spinu kwantowego w temperaturze pokojowej w izolatorze topologicznym wyższego rzędu, Materiały przyrodnicze (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01304-3
