Nieuwe kwantumtoestand waargenomen bij kamertemperatuur kan een revolutie teweegbrengen in de elektronica

De zoektocht naar nieuwe topologische eigenschappen van materie is de nieuwe goudkoorts in de moderne natuurkunde. Voor het eerst hebben natuurkundigen nieuwe kwantumeffecten waargenomen in een topologische isolator op basis van het element bismut, bij kamertemperatuur. Deze ontdekking opent nieuwe mogelijkheden voor de ontwikkeling van efficiënte en energiebesparende kwantumtechnologieën.

In de afgelopen jaren studeren topologische toestanden Het materiaal is van groot belang bij natuurkundigen en ingenieurs en is momenteel het onderwerp van aanzienlijke internationale belangstelling en onderzoek. Dit studiegebied combineert Kwantumfysica met topologie, een tak van theoretische wiskunde die geometrische eigenschappen onderzoekt die kunnen vervormen, maar niet van aard veranderen.

Met andere woorden, het bestand Structuur Het is de tak van de wiskunde die de eigenschappen bestudeert van geometrische lichamen die in stand worden gehouden door continue vervorming zonder te scheuren of aan elkaar te plakken, zoals een rubberen band die kan worden uitgerekt zonder te breken.

Zahid Hassan, hoogleraar natuurkunde aan de Princeton University, hoofdauteur van de huidige studie, legt uit in: communicatie : ” De nieuwe topologische eigenschappen van materie zijn een van de meest gewilde schatten van de moderne natuurkunde geworden, zowel vanuit een fundamenteel natuurkundig perspectief als voor het vinden van mogelijke toepassingen in kwantumtechnologie en nanotechnologie van de volgende generatie. “.

In dit kader is de Spentronics verscheen. Het is gebaseerd op het gebruik van een fundamentele eigenschap van deeltjes, bekend als spin, om informatie te verwerken. Spin is een kwantumeigenschap van deeltjes die nauw verwant zijn aan de eigenschappen van hun spin. Het speelt een fundamentele rol in de eigenschappen van materie.

X-elektronica is vergelijkbaar met elektronica, in die zin dat de laatste de elektrische lading van a gebruikt in plaats van spin Elektron. Het dragen van informatie over zowel de lading als de spin van het elektron zal apparaten waarschijnlijk een grotere diversiteit aan functies bieden.

Onderzoekers van Princeton ontdekten dat een stof van dit type Topologische isolator, gemaakt van de elementen bismut en broom, vertonen kwantumgedrag, alleen waargenomen onder extreme experimentele omstandigheden van hoge druk en temperaturen dicht bij het absolute nulpunt. Deze ontdekking opent een nieuw veld van mogelijkheden voor het ontwikkelen van efficiënte kwantumtechnieken op basis van x-elektronica. Hun werk is gepubliceerd in het tijdschrift natuur materialen.

’s Werelds eerste op kamertemperatuur

Het is vermeldenswaard dat wetenschappers al meer dan een decennium topologische isolatoren gebruiken om kwantumeffecten aan te tonen. Het is een uniek apparaat dat qua formaat als een isolator fungeert – elektronen Binnenin de isolatie zijn ze niet vrij om te bewegen en geleiden ze daarom geen elektriciteit – maar het oppervlak kan desondanks geleidend worden.

Het in deze studie beschreven experiment is het eerste dat bij kamertemperatuur is waargenomen. Extrapolatie en observatie van kwantumtoestanden in topologische isolatoren vereisen meestal temperaturen dichtbij het absolute nulpunt (ongeveer -273 ° C).

In feite creëren omgevings- of verhoogde temperaturen wat natuurkundigen ’thermische ruis’ noemen, wat wordt gedefinieerd als een stijging van de temperatuur zodat atomen heftig gaan trillen. Deze actie kan micro-kwantumsystemen verstoren en zo de kwantumtoestand doen instorten.

Met name in topologische isolatoren creëren deze hoge temperaturen een toestand waarin elektronen op het oppervlak van de isolator het volume van de isolator binnendringen en er ook voor zorgen dat de elektronen gaan geleiden, wat het speciale kwantumeffect dempt of verbreekt.

Daarom is de oplossing om deze experimenten te onderwerpen aan extreem koude temperaturen, meestal op of nabij het absolute nulpunt. Bij deze temperaturen houden de atomaire en subatomaire deeltjes op te trillen en zijn daardoor gemakkelijker te hanteren. Het creëren en onderhouden van een extreem koude omgeving is echter om vele redenen onpraktisch: kosten, kwantiteit en hoge energiekosten.

Unieke topologische isolator

Hassan en zijn team hebben een innovatieve manier ontwikkeld om dit probleem op te lossen. Op basis van hun ervaring met topologische materialen maakten ze een nieuw type topologische isolator op basis van bismutbromide, een anorganische kristallijne verbinding die soms wordt gebruikt voor waterbehandeling en chemische analyse.

Concreet moet u weten dat isolatoren, net als halfgeleiders, zogenaamde diëlektrische (of tape) openingen hebben. De auteurs legden uit dat ze in wezen “barrières” zijn tussen in een baan om de aarde draaiende elektronen, een soort “niemandsland” waar elektronen niet heen kunnen. Deze bandhiaten zijn erg belangrijk, omdat ze de hoeksteen vormen om de beperkingen van de verwerving van kwantumtoestanden die door thermische ruis worden opgelegd, te overwinnen.

Ze doen dit echter als de bandbreedte van de bandbreedte groter is dan de breedte van de thermische ruis. Maar een zeer grote bandgap kan de orbitale koppeling van elektronen verstoren – dit is de interactie tussen de spin van een elektron en zijn baanbeweging rond de kern. Wanneer deze verstoring optreedt, stort de topologische kwantumtoestand in. Daarom is de truc om een ​​kwantumeffect te creëren en te behouden, het vinden van een balans tussen de brede bandgap en spin-orbit-koppelingseffecten.

De isolator die door Hassan en zijn team is bestudeerd, heeft een isolatiespleet van meer dan 200 meV, wat groot genoeg is om thermische ruis te overwinnen, maar klein genoeg om het spin-baankoppelingseffect en de reflectietopologie van de verbanden niet te verstoren.

Een revolutionaire ontdekking van elektronica

Hassan zegt: In onze experimenten vonden we een balans tussen de effecten van spin-baankoppeling en een grote bandgap. We ontdekten dat er een ‘prachtige plek’ is waar een relatief grote spin-orbit-koppeling kan zijn om een ​​topologische omhulling te creëren en de bandgap te vergroten zonder deze te vernietigen. Het is een soort evenwichtspunt voor op bismut gebaseerde materialen, die we al heel lang bestuderen. “.

Om deze eigenschap te benadrukken, gebruikten de onderzoekers een tunnelmicroscoop met subatomaire resolutie, een uniek apparaat dat een eigenschap gebruikt die bekend staat als ‘kwantumtunneling’. Concreet, wanneer de punt van de monoatomaire microscoop binnen 1 nm van het oppervlak nadert, zijn de puntelektronen terughoudend om op de punt te blijven en kunnen ze naar het oppervlak worden overgebracht, wat het tunneleffect illustreert. De microscoop bepaalt de elektrische geleidbaarheid tussen de punt en het oppervlak, dat wil zeggen de hoeveelheid stroom die er doorheen gaat. Als we lijn voor lijn scannen, krijgen we een elektronische kaart van het oppervlak en van elk atoom of molecuul dat erop is geplaatst.

Dit is hoe de onderzoekers de schijnbare kwantumspin Hall-randtoestand observeerden, een belangrijke eigenschap die alleen bestaat in topologische systemen. Dit vereist extra nieuwe apparaten om het topologische effect op unieke wijze te isoleren.

Nana Shumiya, een postdoctoraal onderzoeker in elektrische en computertechniek, en een van de drie co-auteurs van de studie, legt uit: Het is geweldig dat we ze hebben gevonden zonder gigantische druk of ultrahoge magnetische velden, waardoor de materialen toegankelijker zijn voor de ontwikkeling van de volgende generatie kwantumtechnologieën. Zij voegt toe: Ik denk dat onze ontdekking de grenzen van het kwantum enorm zal verleggen “.

De onderzoekers willen nu andere topologische materialen identificeren die bij kamertemperatuur zouden kunnen werken en, belangrijker nog, andere wetenschappers voorzien van hulpmiddelen en nieuwe hardwaremethoden om materialen te identificeren die levensvatbaar zijn bij kamertemperatuur en verhoogde temperaturen.

bron : natuur materialen