_ Oamenii de știință descoperă efectul exotic de interferență cuantică într-un dispozitiv izolator topologic

Într-un experiment nou, fizicienii au observat efecte de coerență cuantică pe rază lungă datorită interferenței Aharonov-Bohm într-un dispozitiv bazat pe izolator topologic. Această descoperire deschide un nou tărâm de posibilități pentru dezvoltarea viitoare a fizicii cuantice topologice și a ingineriei.

Această descoperire ar putea afecta și dezvoltarea electronicii bazate pe spin, care ar putea înlocui unele sisteme electronice actuale pentru un nivel superior. eficiența energetică și poate oferi noi platforme pentru a explora știința informației cuantice.

Cercetarea, publicată în numărul din 20 februarie a revistei Nature Physics, este punctul culminant a mai mult de 15 ani de muncă la Princeton. A apărut atunci când oamenii de știință de la Princeton au dezvoltat un dispozitiv cuantic – numit izolator topologic cu bromură de bismut (α-Bi4Br4) – cu o grosime de doar câțiva nanometri și l-au folosit pentru a investiga coerența cuantică.

Oamenii de știință au folosit izolatori topologici pentru a demonstra efecte cuantice noi de mai bine de un deceniu. Echipa Princeton și-a dezvoltat izolatorul pe bază de bismut într-un experiment anterior în care și-a demonstrat eficacitatea la temperatura camerei.

Dar acest nou experiment este prima dată când aceste efecte au fost observate cu o coerență cuantică foarte lungă. și la o temperatură relativ ridicată. Inducerea și observarea stărilor cuantice coerente necesită de obicei temperaturi aproape de zero absolut pe materiale semiconductoare proiectate artificial numai în prezența câmpurilor magnetice puternice.

„Experimentele noastre oferă dovezi convingătoare pentru existența coerenței cuantice pe rază lungă în topologic. moduri de balamale, deschizând astfel noi căi către dezvoltarea circuitelor topologice, precum și utilizarea acestei metode topologice pentru a explora și a avansa fizica fundamentală”, a declarat M. Zahid Hasan, profesor de fizică Eugene Higgins la Universitatea Princeton, care a condus cercetarea.

„Spre deosebire de dispozitivele electronice convenționale, circuitele topologice sunt robuste împotriva defectelor și impurităților, ceea ce le face mult mai puțin predispuse la disiparea energiei, ceea ce este avantajos pentru aplicațiile mai ecologice.”

În ultimii ani, studiul stărilor topologice ale materiei a atras o atenție considerabilă în rândul fizicienilor și inginerilor și este în prezent în centrul interesului și cercetării internaționale. Această zonă de studiu combină fizica cuantică cu topologia — o ramură a matematicii teoretice care explorează proprietățile geometrice care pot fi deformate, dar nu modificate intrinsec.

Dispozitivul principal folosit pentru a investiga misterele topologiei cuantice se numește topologic izolator. Acesta este un dispozitiv unic care acționează ca un izolator în interiorul său, ceea ce înseamnă că electronii din interior nu sunt liberi să se miște și, prin urmare, nu conduc electricitatea. Cu toate acestea, electronii de pe marginile dispozitivului sunt liberi să se miște, ceea ce înseamnă că sunt conductivi.

Mai mult, datorită proprietăților speciale ale topologiei, electronii care curg de-a lungul marginilor nu sunt împiedicați de niciun defecte sau deformații. . Un tip special de topologie este posibil și în anumite materiale pe bază de bismut, unde unele margini pot fi întrerupte și doar unele balamale rămân conducătoare.

Un dispozitiv realizat din astfel de materiale topologice are potențialul nu numai de a îmbunătăți tehnologia, ci și de asemenea, de a genera o mai bună înțelegere a materiei în sine prin sondarea proprietăților cuantice în moduri noi și inovatoare.

Până acum, însă, incapacitatea de a obține timpi lungi de coerență a fost o piedică majoră în încercarea de a utiliza materiale pentru aplicații în dispozitive funcționale. Coerența se referă la capacitatea de a menține stările cuantice de suprapunere și încurcare în fața unor influențe perturbatoare, precum termalizarea sau alte interacțiuni cu mediul.

„Există mult interes pentru materialele topologice, iar oamenii vorbesc adesea despre marele lor potențial pentru aplicații practice”, a spus Hasan, „dar până când se poate demonstra că un efect topologic cuantic macroscopic are o coerență cuantică lungă. care pot funcționa și la temperaturi relativ ridicate, aceste aplicații vor rămâne probabil nerealizate. Prin urmare, suntem în căutarea materialelor care prezintă coerență cuantică pe distanță lungă a electronilor topologici."

Echipa lui Hasan a explorat bismutul- materiale topologice bazate timp de aproape două decenii. Cu toate acestea, recent, echipa a descoperit că izolatorul cu bromură de bismut are proprietăți care îl fac mai ideal în comparație cu izolatorii topologici pe bază de bismut (inclusiv aliajele Bi-Sb) pe care i-au studiat din 2005. Are un decalaj mare de izolare de peste 200 meV. (mili-electroni volți). Acesta este suficient de mare pentru a depăși zgomotul termic, dar suficient de mic încât să nu perturbe efectul de cuplare spin-orbită și topologia de inversare a benzii.

Izolatorii de bromură de bismut aparțin unei clase de izolatori topologici care prezintă, de asemenea, un nivel ridicat. efecte ale căror suprafețe devin izolatoare, dar marginile orientărilor dictate de o anumită simetrie rămân conducătoare. Acestea se numesc stări articulare, care au fost teoretizate recent de grupul colaboratorului și co-autorului Titus Neupert de la Universitatea din Zurich.

„Deși nu era garantat în teorie, prin câțiva ani de experimente am descoperit că bromura de bismut stările balamale au o coerență cuantică foarte lungă la temperatură relativ ridicată. În acest caz, în experimentele noastre bazate pe dispozitivele pe care le-am fabricat, am găsit un echilibru între efectele de cuplare spin-orbită, coerența cuantică pe distanță lungă și fluctuațiile termice", a spus Hasan.

„Am descoperit că există un „punct dulce” în care puteți avea un grad relativ ridicat de coerență cuantică a modurilor de balama topologică și puteți funcționa la o temperatură relativ ridicată. Este un fel ca un echilibru punct pentru materialele pe bază de bismut pe care le-am studiat timp de aproape două decenii.”

Folosind un microscop cu scanare tunel, cercetătorii au observat o stare clară a marginii Hall cu spin cuantic, care este una dintre proprietățile importante care există unic în sistemele topologice. Acest lucru a necesitat instrumente noi suplimentare pentru a izola efectul topologic în mod unic.

Chiar dacă bismutul găzduiește o astfel de stare cuantică, materialul în sine este un semimetal fără nici un decalaj energetic izolator. Acest lucru face dificilă explorarea consecințelor sale în transportul de electroni, deoarece, în bismut, canalele de transport conțin electroni atât din starea de masă cât și din starea balamalei. Acestea amestecă și estompează semnalul coerent de transport cuantic al stărilor balamale.

O altă problemă este cauzată de ceea ce fizicienii numesc „zgomot termic”, care este definit ca o creștere a temperaturii astfel încât atomii încep să vibreze. violent. Această acțiune poate perturba sistemele cuantice delicate, prăbușind astfel starea cuantică. În izolatoarele topologice, în special, aceste temperaturi mai ridicate creează o situație în care electronii de pe suprafața izolatorului invadează interiorul sau „vrac” izolatorului și fac ca electronii de acolo să înceapă și ei conducători, ceea ce se diluează sau se rupe. efectul cuantic special. Fluctuațiile termice distrug, de asemenea, coerența fazei cuantice a electronilor.

Dar izolatorul de bromură de bismut dezvoltat de echipă a reușit să ocolească aceasta și alte probleme. Ei au folosit dispozitivul pentru a demonstra transportul cuantic coerent prin modurile balamale topologice. Un semn distinctiv al transportului cuantic coerent este manifestarea interferenței cuantice Aharonov–Bohm.

Interferența Aharonov–Bohm, prezisă cu aproape 60 de ani în urmă (fizicianul David Bohm a fost la Princeton între 1947 și 1951), descrie un fenomen în care o undă cuantică este împărțită în două unde care ocolesc o cale închisă și interferează sub influența unui potențial electromagnetic.

Modelul de interferență rezultat este determinat de fluxul magnetic închis de unde. În cazul electronilor, o astfel de interferență cuantică are loc dacă electronii de conducere rămân coerenți de fază după parcurgerea traiectoriilor închise, rezultând o oscilație periodică a rezistenței electrice cu o perioadă caracteristică a câmpului magnetic ΔB = Φ0/S, unde Φ0 = h/ e este cuantumul fluxului, S este aria pe care traiectorii electronilor rămân coerente de fază, h este constanta lui Planck și e este sarcina electronilor.

Pentru canalele de conducere topologică, toate traiectorii coerente de fază care participă la interferența cuantică cuprinde aceeași zonă perpendiculară pe câmpul B, care este diferită de fluctuațiile de conductanță universale. Aici ei prezintă urme de magnetorezistă din probele de α-Bi4Br4 care arată oscilații B-periodice, semnul distinctiv al efectului Aharonov-Bohm care decurge din purtători coerenți de fază.

„Pentru prima dată, am demonstrat că există o clasă de dispozitive electronice topologice pe bază de bismut, care pot avea un grad ridicat de coerență cuantică, supraviețuind până la o temperatură relativ ridicată, ceea ce se datorează efectului de interferență Aharonov-Bohm care decurge din electronii topologici coerenți de fază”, a spus Hasan.

Daniel Tsui, profesor emerit de inginerie electrică Arthur Legrand Doty la Princeton, a câștigat Premiul Nobel pentru fizică în 1998 pentru descoperirea efectului Hall cuantic fracționat, iar F. Duncan Haldane , profesorul de fizică Eugene Higgins la Princeton, a câștigat Premiul Nobel pentru fizică în 2016 pentru descoperirile teoretice ale tranzițiilor topologice de fază și a unui tip de izolatori topologici bidimensionali (2D).

Dezvoltările teoretice ulterioare au arătat că topologia izolatorii pot lua forma a două copii ale modelului lui Haldane bazat pe interacțiunea spin-orbita electronului.

Hasan și echipa sa au fost într-o căutare de un deceniu pentru o stare cuantică topologică care să poată păstra, de asemenea, un grad ridicat de coerență cuantică la o temperatură relativ ridicată, în urma descoperirii primelor exemple de izolatori topologici tridimensionali în 2007.

Recent, au găsit o soluție la conjectura lui Haldane într-un material topologic care este capabil să funcționeze la temperatura camerei, care prezintă, de asemenea, cuantificarea dorită.

„O chimie atomică adecvată și un design de structură cuplat la teoria principiilor este pasul crucial pentru a face predicția speculativă a izolatorului topologic realist într-un dispozitiv pentru a menține cuantică lungă. coerență”, a spus Hasan.

„Există multe materiale topologice bazate pe Bi și avem nevoie atât de intuiție, de experiență, de calcule specifice materialelor și de eforturi experimentale intense pentru a găsi în cele din urmă materialul potrivit pentru o explorare aprofundată. într-o setare a dispozitivului. Și asta ne-a dus într-o călătorie de un deceniu de investigare a unor materiale pe bază de bismut care în cele din urmă par să funcționeze.”

„Credem că această descoperire poate fi punctul de plecare al dezvoltării viitoare în inginerie cuantică și nanotehnologie. ”, a spus Shafayat Hossain, asociat de cercetare postdoctoral în laboratorul lui Hasan și co-primul autor al studiului.

„Au existat atât de multe posibilități propuse în știința cuantică topologică și tehnologia ingineriei care așteaptă și găsirea materiale adecvate cu proprietăți lungi de coerență cuantică cuplate cu instrumente noi este una dintre cheile pentru aceasta. Și asta am reușit.”

„Dacă electronii nu sară sau sunt agitați, ei nu pierd energie”, a spus Hasan. „Acest lucru creează o bază cuantică pentru economisirea energiei sau tehnologii mai ecologice, deoarece acestea consumă mult mai puțină energie. Dar acest lucru este încă departe.”

În prezent, focalizarea teoretică și experimentală a echipei lui Hasan este concentrată în două direcții, spuse Hasan. În primul rând, cercetătorii doresc să determine ce alte materiale topologice ar putea prezenta un nivel similar sau mai ridicat de coerență cuantică și, mai important, să ofere altor oameni de știință instrumentele și metodele noi de instrumentare pentru a identifica aceste materiale care vor funcționa la temperaturi mai ridicate.

Nan Yao, co-autor al lucrării intitulată „Transportul cuantic răspunsul modurilor de balama topologică”, iar profesorul de practică la Princeton Materials Institute a rezumat cercetarea spunând: „Această lucrare asupra izolatorilor topologici de ordin superior exemplifică frumusețea și importanța descoperirii de noi fațete ale naturii, cum ar fi coerența cuantică. a stărilor topologice ale balamalei.”

„Este o descoperire care ar putea duce la progrese interesante în dispozitivele cuantice și îmi amintesc de celebrul citat al lui Einstein, „Cel mai frumos lucru pe care îl putem experimenta este misteriosul. Este sursa oricărei arte și științe adevărate.”

(Fluierul)