Rumstemperaturförverkligande av makroskopiska kvantfaser är en av de betydande sysselsättningarna inom fundamental fysik. Kvantspin Hall-fasen är en topologisk kvantfas som har en tvådimensionell isolerande bulk och ett spiralformigt kanttillstånd.
I en ny studie rapporterade Princeton-forskare om nya kvanteffekter i en topologisk isolator vid rumstemperatur. Detta experiment är första gången dessa effekter har observerats vid rumstemperatur. Temperaturer nära absolut noll, eller -459 grader Fahrenheit, krävs vanligtvis för att inducera och observera kvanttillstånd i topologiska isolatorer (eller -273 grader Celsius).
Denna upptäckt öppnar upp en ny uppsättning möjligheter för skapandet av effektiv kvantteknik, som spin-baserad elektronik, som har potential att ersätta många befintliga elektroniska system till förmån för sådana som använder mindre energi.
M. Zahid Hasan, Eugene Higgins professor i fysik vid Princeton University, som ledde forskningen, sa: "Romanen topologiska materiens egenskaper har dykt upp som en av de mest eftertraktade skatterna inom modern fysik, både ur en grundläggande fysiksynpunkt och för att hitta potentiella tillämpningar inom nästa generations kvantteknik och nanoteknik."
"Detta arbete möjliggjordes av flera innovativa experimentella framsteg i vårt labb i Princeton."
Topologiska isolatorer är det primära enhetselementet som används för att fördjupa sig i kvanttopologins mysterier. Detta är en speciell pryl eftersom insidan fungerar som en isolator, vilket hindrar elektronerna från att fritt röra sig och leda el.
Enhetens kanter har dock fritt rörliga elektroner, vilket indikerar att de är ledande. Dessutom hindras inte elektronerna som rör sig längs kanterna av några brister eller deformationer på grund av topologins unika egenskaper. Genom att undersöka kvantelektriska egenskaper har den här enheten potential att avancera teknik samtidigt som den främjar en djupare kunskap om själva materien.
Hasan sa, "Tills nu har det dock funnits en stor stötesten i strävan att använda materialen och enheterna för applikationer i funktionella enheter. Intresset för topologiska material är stort och man talar ofta om deras stora potential för praktiska tillämpningar. Ändå kommer dessa applikationer sannolikt att förbli orealiserade tills någon makroskopisk kvanttopologisk effekt kan manifesteras vid rumstemperatur."
Detta beror på fenomenet som kallas "termiskt brus", vilket fysiker definierar som en temperaturhöjning till den punkt där atomerna börjar vibrera våldsamt. Denna operation kan kollapsa kvanttillståndet genom att störa ömtåliga kvantsystem. Särskilt med topologiska isolatorer leder dessa högre temperaturer till en situation där elektroner på isolatorns yta invadera det inre, eller "bulk", av isolatorn och få elektronerna där också att börja leda, späda ut eller bryta den unika kvanteffekten.
Detta kan undvikas genom att utsätta sådana experiment för grunda temperaturer, vanligtvis vid eller nära absolut noll. Atom- och subatomära partiklar slutar vibrera vid dessa grunda temperaturer, vilket gör dem lättare att kontrollera. För många applikationer är det inte möjligt att skapa och underhålla en extremt kall miljö eftersom det är dyrt, stort och energikrävande.
Forskare här har kommit på ett innovativt sätt att kringgå detta problem. De tillverkade en ny topologisk isolator av vismutbromid (kemisk formel α-Bi4Br4). Det är en oorganisk kristallin förening som ibland används för vattenbehandling och kemiska analyser.
Nana Shumiya, som tog sin doktorsexamen. på Princeton, sa, "Det här är bara fantastiskt att vi hittade dem utan jättetryck eller ett ultrahögt magnetfält, vilket gör materialet mer tillgängligt för utveckling nästa generations kvantteknik. Jag tror att vår upptäckt kommer att avsevärt föra fram kvantgränsen."
Hasan sa, "De kagomegittertopologiska isolatorerna kan designas för att ha relativistiska bandkorsningar och starka elektron-elektroninteraktioner. Båda är viktiga för roman magnetism. Därför insåg vi att kagomemagneter är ett bra system för att söka efter topologiska magnetfaser, eftersom de är som de topologiska isolatorer som vi upptäckte och studerade för mer än tio år sedan."
"En lämplig atomkemi och strukturdesign kopplad till teorin om de första principerna är det avgörande steget för att göra den topologiska isolatorns spekulativa förutsägelse realistisk i en miljö med hög temperatur. Det finns hundratals topologiska material, och vi behöver intuition, erfarenhet, materialspecifika beräkningar och intensiva experimentella ansträngningar för att hitta rätt material för djupgående utforskning. Och det tog oss på en decennielång resa med att undersöka många vismutbaserade material."
Hasan och hans kollegor undersökte familjen av föreningar som kallas vismutbromid som svar på ett förslag från medarbetare och medförfattare Fan Zhang och Yugui Yao att undersöka en viss klass av Weyl-metaller. Weyl-fenomenet var dock inte synligt för utredarna i dessa material. Istället fann Hasan och hans team att vismutbromidisolatorn har egenskaper som gör den mer önskvärd än topologiska isolatorer (Bi-Sb-legeringar) baserade på vismut-antimon som de tidigare undersökt.
Den har ett stort isolerande gap på över 200 meV ("milli elektronvolt"). Denna är tillräckligt stor för att övervinna termiskt brus men tillräckligt liten så att den inte stör spin-orbit-kopplingseffekten och bandinversionstopologin.
Hasan sa, "I det här fallet hittade vi i våra experiment en balans mellan spin-omloppskopplingseffekter och stor bandgapbredd. Vi fann att det finns en "sweet spot" där du kan ha en relativt stor spin-omloppskoppling för att skapa en topologisk twist samt höja bandgapet utan att förstöra det. Det är som en balanspunkt för de vismutbaserade materialen vi har studerat under lång tid.”
När de kunde se vad som hände i experimentet med subatomär upplösning med hjälp av ett scanningstunnelmikroskop, ett specialverktyg som använder sig av fenomenet som kallas "kvanttunneling", där elektroner riktas mellan den vassa metalliska, enatomiga spetsen av mikroskopet och provet, visste forskarna att de hade lyckats med sitt mål.
Hasan sa, "För första gången visade vi en klass av vismutbaserade topologiska material som topologin överlever upp till rumstemperatur. Vi är mycket säkra på vårt resultat."
"Forskarna tror att detta genombrott kommer att öppna dörren till framtida forskningsmöjligheter och tillämpningar inom kvantteknologi."
Shafayat Hossain, en postdoktoral forskningsassistent i Hasans labb och en annan medförfattare till studien, sa: "Vi tror att detta fynd kan vara startpunkten för framtida utveckling inom nanoteknik. Det har funnits så många föreslagna möjligheter inom topologisk teknik som väntar, och att hitta lämpliga material i kombination med ny instrumentering är en av nycklarna till detta."
"För närvarande är gruppens teoretiska och experimentella fokus koncentrerad i två riktningar: För det första vill vi bestämma vilka andra topologiska material som kan fungera vid rumstemperatur, och, viktigare, ge andra forskare verktygen och nya instrumenteringsmetoder för att identifiera material som kommer att fungera vid rumstemperaturer och höga temperaturer."
"För det andra vill vi fortsätta att sondera djupare in i kvantvärlden nu när detta fynd har gjort det möjligt att genomföra experiment vid högre temperaturer."
Hasan sade, "Dessa studier kommer att kräva utveckling av ytterligare en uppsättning nya instrument och tekniker för att utnyttja dessa materials enorma potential fullt ut. Med vår nya instrumentering ser jag en enorm möjlighet för ytterligare djupgående utforskning av exotiska och komplexa kvantfenomen, spåra finare detaljer i makroskopiska kvanttillstånd. Vem vet vad vi kommer att upptäcka?”
"Vår forskning är ett verkligt steg framåt för att visa potentialen hos topologiska material för energibesparande tillämpningar. Det vi har gjort här med det här experimentet är att plantera ett frö för att uppmuntra andra forskare och ingenjörer att drömma stort.”
Tidskriftsreferens:
- Nana Shumiya et al., Bevis på ett rumstemperaturkvantspinn Hall-kanttillstånd i en topologisk isolator av högre ordning, Naturmaterial (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01304-3
