Nowy stan kwantowy obserwowany w temperaturze pokojowej może zrewolucjonizować elektronikę

Poszukiwanie nowych właściwości topologicznych materii to nowa gorączka złota we współczesnej fizyce. Po raz pierwszy fizycy zaobserwowali nowe efekty kwantowe w izolatorze topologicznym opartym na pierwiastku bizmutu w temperaturze pokojowej. Odkrycie to otwiera nowe możliwości rozwoju wydajnych i energooszczędnych technologii kwantowych.

W ostatnich latach studia Stany topologiczne Materiał cieszy się dużym zainteresowaniem fizyków i inżynierów i jest obecnie przedmiotem dużego zainteresowania i badań międzynarodowych. Ten obszar badań łączy Fizyka kwantowa z topologią, gałęzią matematyki teoretycznej, która bada właściwości geometryczne, które mogą się deformować, ale nie zmieniają natury.

Innymi słowy, plik Struktura Jest to dział matematyki, który bada właściwości ciał geometrycznych utrzymywanych przez ciągłe odkształcanie bez rozrywania lub sklejania się, jak gumka, którą można rozciągać bez pękania.

Zahid Hassan, profesor fizyki na Uniwersytecie Princeton, główny autor obecnego badania, wskazuje w: raport : « Nowe właściwości topologiczne materii stały się jednym z najbardziej poszukiwanych skarbów współczesnej fizyki, zarówno z perspektywy fizyki fundamentalnej, jak i dla znalezienia potencjalnych zastosowań w inżynierii kwantowej i nanotechnologii nowej generacji. ».

W tym kontekście Spentronika pojawił się. Opiera się na wykorzystaniu fundamentalnej właściwości cząstek, znanej jako spin, do przetwarzania informacji. Spin to kwantowa właściwość cząstek ściśle powiązana z właściwościami ich spinu. Odgrywa fundamentalną rolę we właściwościach materii.

X-electronics jest podobna do elektroniki, ponieważ ta druga wykorzystuje ładunek elektryczny a, a nie spin Elektron. Przenoszenie informacji o ładunku i spinie elektronu prawdopodobnie zapewni urządzeniom większą różnorodność funkcji.

Naukowcy z Princeton odkryli, że substancja tego typu Izolator topologiczny, zbudowane z pierwiastków bizmutu i bromu, wykazują zachowania kwantowe, obserwowane tylko w ekstremalnych warunkach eksperymentalnych wysokiego ciśnienia i temperatur bliskich zeru absolutnego. Odkrycie to otwiera nowe pole możliwości rozwoju wydajnych technik kwantowych opartych na elektronice x. Ich prace zostały opublikowane w czasopiśmie materiały natury.

Pierwszy na świecie w temperaturze pokojowej

Warto zauważyć, że naukowcy od ponad dekady wykorzystują izolatory topologiczne do demonstrowania efektów kwantowych. Jest to wyjątkowe urządzenie, które działa jak izolator wielkości – Elektrony Wewnątrz izolacji nie mogą się swobodnie przemieszczać i dlatego nie przewodzą prądu – ale jej powierzchnia może jednak stać się przewodząca.

Eksperyment opisany w tym badaniu jest pierwszym obserwowanym w temperaturze pokojowej. Ekstrapolacja i obserwacja stanów kwantowych w izolatorach topologicznych zwykle wymaga temperatur bliskich zeru bezwzględnego (około −273°C).

W rzeczywistości temperatura otoczenia lub podwyższona powoduje to, co fizycy nazywają „szumem termicznym”, który definiuje się jako wzrost temperatury, który powoduje gwałtowne drgania atomów. To działanie może zakłócić układy mikrokwantowe, a tym samym zapaść stan kwantowy.

Zwłaszcza w izolatorach topologicznych te wysokie temperatury powodują stan, w którym elektrony na powierzchni izolatora wnikają w jego objętość, a także powodują, że elektrony zaczynają przewodzić, co tłumi lub przerywa specjalny efekt kwantowy.

Dlatego rozwiązaniem jest poddanie tych eksperymentów ekstremalnie niskich temperatur, zwykle na poziomie zera bezwzględnego lub w pobliżu zera. W tych temperaturach cząstki atomowe i subatomowe przestają wibrować i dlatego są łatwiejsze w obsłudze. Jednak tworzenie i utrzymywanie ekstremalnie zimnego środowiska jest niepraktyczne z wielu powodów: kosztów, ilości i wysokich nakładów energetycznych.

Unikalny izolator topologiczny

Hassan i jego zespół opracowali innowacyjny sposób rozwiązania tego problemu. Bazując na doświadczeniu z materiałami topologicznymi, wyprodukowali nowy typ izolatora topologicznego na bazie bromku bizmutu, nieorganicznego związku krystalicznego, czasami używanego do uzdatniania wody i analizy chemicznej.

Konkretnie powinieneś wiedzieć, że izolatory, podobnie jak półprzewodniki, mają tak zwane przerwy dielektryczne (lub taśmy). Autorzy wyjaśnili, że są one zasadniczo „barierami” między orbitującymi elektronami, rodzajem „ziemi niczyjej”, do której elektrony nie mogą się dostać. Te przerwy wzbronione są bardzo ważne, ponieważ stanowią podstawę do przezwyciężenia ograniczeń akwizycji stanu kwantowego nałożonych przez szum termiczny.

Robią to jednak, jeśli szerokość pasma zabronionego przekracza szerokość szumu termicznego. Ale bardzo duża przerwa wzbroniona może zakłócić sprzężenie orbitalne elektronów – jest to interakcja między spinem elektronu a jego ruchem orbitalnym wokół jądra. Kiedy pojawia się to zaburzenie, topologiczny stan kwantowy załamuje się. Dlatego sztuczka do tworzenia i utrzymywania efektu kwantowego polega na znalezieniu równowagi między szerokim pasmem wzbronionym a efektem sprzężenia spinowo-orbitalnego.

Izolator badany przez Hassana i jego zespół ma szczelinę izolacyjną o wartości ponad 200 meV, która jest wystarczająco duża, aby przezwyciężyć szum termiczny, ale wystarczająco mała, aby nie zakłócać efektu sprzężenia spin-orbita i topologii odbicia bandaży.

Rewolucyjne odkrycie elektroniki

Hassan mówi: W naszych eksperymentach znaleźliśmy równowagę między skutkami sprzężenia spinowo-orbitalnego a dużą przerwą wzbronioną. Odkryliśmy, że istnieje „piękne miejsce”, w którym może występować stosunkowo duże sprzężenie spinowo-orbitalne, aby stworzyć topologiczne zawinięcie i zwiększyć przerwę wzbronioną bez jej niszczenia. To trochę jak punkt równowagi dla materiałów na bazie bizmutu, który badamy od dawna. ».

Aby podkreślić tę właściwość, naukowcy wykorzystali mikroskop tunelowy o rozdzielczości subatomowej, unikalne urządzenie, które wykorzystuje właściwość znaną jako „tunelowanie kwantowe”. Konkretnie, gdy końcówka mikroskopu monoatomowego zbliża się na odległość 1 nm do powierzchni, elektrony końcówki niechętnie pozostają na końcówce i mogą być przenoszone na powierzchnię, co ilustruje efekt tunelowania. Mikroskop określa przewodność elektryczną między końcówką a powierzchnią, czyli ilość prądu, który przez nią przepływa. Skanując linia po linii otrzymujemy elektroniczną mapę powierzchni i każdego umieszczonego na niej atomu lub cząsteczki.

W ten sposób naukowcy zaobserwowali pozorny stan krawędziowy Halla spinu kwantowego, ważną właściwość, która istnieje tylko w układach topologicznych. Wymaga to dodatkowych nowych urządzeń, aby jednoznacznie izolować efekt topologiczny.

Nana Shumiya, habilitant w dziedzinie inżynierii elektrycznej i komputerowej oraz jeden z trzech współautorów badania, wyjaśnia: Wspaniale, że znaleźliśmy je bez gigantycznego ciśnienia czy ultrawysokich pól magnetycznych, dzięki czemu materiały te są bardziej dostępne dla rozwoju technologii kwantowych nowej generacji. Ona dodaje: Myślę, że nasze odkrycie znacznie rozszerzy granice kwantowości ».

Naukowcy chcą teraz zidentyfikować inne materiały topologiczne, które mogą działać w temperaturze pokojowej, a co najważniejsze, zapewnić innym naukowcom narzędzia i nowe metody sprzętowe do identyfikacji materiałów, które są żywotne w temperaturze pokojowej i w podwyższonych temperaturach.

źródło : materiały natury