Neuer bei Raumtemperatur beobachteter Quantenzustand könnte die Elektronik revolutionieren

Die Suche nach neuen topologischen Eigenschaften von Materie ist der neue Goldrausch in der modernen Physik. Physiker haben erstmals neue Quanteneffekte in einem topologischen Isolator auf Basis des Elements Wismut bei Raumtemperatur beobachtet. Diese Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten zur Entwicklung effizienter und energiesparender Quantentechnologien.

In den letzten Jahren Studium Topologische Zustände Das Material stößt bei Physikern und Ingenieuren auf großes Interesse und ist derzeit Gegenstand erheblichen internationalen Interesses und Forschung. Dieser Studienbereich kombiniert Quantenphysik mit der Topologie, einem Zweig der theoretischen Mathematik, der geometrische Eigenschaften untersucht, die sich verformen können, sich aber in der Natur nicht ändern.

Mit anderen Worten, die Datei Struktur Es ist der Zweig der Mathematik, der die Eigenschaften geometrischer Objekte untersucht, die durch kontinuierliche Verformung gehalten werden, ohne zu reißen oder aneinander zu kleben, wie ein Gummiband, das gedehnt werden kann, ohne zu brechen.

Zahid Hassan, Professor für Physik an der Princeton University, Hauptautor der aktuellen Studie, weist darauf hin Kommunikation : “ Neue topologische Eigenschaften von Materie sind zu einem der begehrtesten Schätze der modernen Physik geworden, sowohl aus Sicht der Grundlagenphysik als auch für die Suche nach potenziellen Anwendungen in der Quantentechnik und der Nanotechnologie der nächsten Generation. „.

In diesem Zusammenhang ist die Spentronik erschien. Es basiert auf der Nutzung einer grundlegenden Eigenschaft von Teilchen, die als Spin bekannt ist, um Informationen zu verarbeiten. Der Spin ist eine Quanteneigenschaft von Teilchen, die eng mit den Eigenschaften ihres Spins verwandt ist. Es spielt eine grundlegende Rolle bei den Eigenschaften von Materie.

X-Elektronik ist der Elektronik insofern ähnlich, als letztere die elektrische Ladung von a anstelle von Spin verwendet Elektron. Das Tragen von Informationen sowohl über die Ladung als auch über den Spin des Elektrons wird wahrscheinlich Geräte mit einer größeren Vielfalt an Funktionen bereitstellen.

Princeton-Forscher entdeckten, dass eine Substanz dieser Art Topologischer Isolator, die aus den Elementen Wismut und Brom bestehen, zeigen ein Quantenverhalten, das nur unter extremen experimentellen Bedingungen mit hohem Druck und Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt beobachtet werden kann. Diese Entdeckung eröffnet ein neues Feld von Möglichkeiten zur Entwicklung effizienter Quantentechniken auf Basis der x-Elektronik. Ihre Arbeit wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Naturmaterialien.

Die Weltneuheit bei Raumtemperatur

Es ist erwähnenswert, dass Wissenschaftler seit mehr als einem Jahrzehnt topologische Isolatoren verwenden, um Quanteneffekte zu demonstrieren. Es ist ein einzigartiges Gerät, das als Puffer in der Größe fungiert – Elektronen Innerhalb der Isolierung sind sie nicht frei beweglich und leiten daher keinen Strom – dennoch kann ihre Oberfläche leitfähig werden.

Das in dieser Studie beschriebene Experiment ist das erste, das bei Raumtemperatur beobachtet wurde. Extrapolation und Beobachtung von Quantenzuständen in topologischen Isolatoren erfordern normalerweise Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (etwa –273 °C).

Tatsächlich erzeugen Umgebungs- oder erhöhte Temperaturen das, was Physiker als „thermisches Rauschen“ bezeichnen, das als Temperaturanstieg definiert wird, bei dem Atome heftig zu vibrieren beginnen. Diese Aktion kann Mikroquantensysteme stören und somit den Quantenzustand zusammenbrechen lassen.

Insbesondere bei topologischen Isolatoren erzeugen diese hohen Temperaturen einen Zustand, in dem Elektronen auf der Oberfläche des Isolators in das Volumen des Isolators eindringen und die Elektronen zum Leiten bringen, was den speziellen Quanteneffekt dämpft oder bricht.

Daher besteht die Lösung darin, diese Experimente extrem kalten Temperaturen auszusetzen, normalerweise bei oder nahe dem absoluten Nullpunkt. Bei diesen Temperaturen hören die atomaren und subatomaren Teilchen auf zu schwingen und sind daher leichter zu handhaben. Das Schaffen und Aufrechterhalten einer extrem kalten Umgebung ist jedoch aus vielen Gründen unpraktisch: Kosten, Menge und hoher Energieaufwand.

Einzigartiger topologischer Isolator

Hassan und sein Team haben eine innovative Methode entwickelt, um dieses Problem zu lösen. Basierend auf ihrer Erfahrung mit topologischen Materialien stellten sie einen neuen Typ von topologischem Isolator her, der auf Wismutbromid basiert, einer anorganischen kristallinen Verbindung, die manchmal für die Wasseraufbereitung und chemische Analyse verwendet wird.

Konkret sollten Sie wissen, dass Isolatoren wie Halbleiter sogenannte dielektrische (oder Band-) Lücken haben. Die Autoren erklärten, dass sie im Wesentlichen „Barrieren“ zwischen umkreisenden Elektronen sind, eine Art „Niemandsland“, in das Elektronen nicht gelangen können. Diese Bandlücken sind sehr wichtig, da sie den Eckpfeiler bilden, um die durch thermisches Rauschen auferlegten Beschränkungen der Quantenzustandserfassung zu überwinden.

Sie tun dies jedoch, wenn die Bandlückenbreite die Breite des thermischen Rauschens überschreitet. Aber eine sehr große Bandlücke kann die Orbitalkopplung der Elektronen stören – das ist die Wechselwirkung zwischen dem Spin eines Elektrons und seiner Orbitalbewegung um den Kern. Wenn diese Störung auftritt, bricht der topologische Quantenzustand zusammen. Daher besteht der Trick beim Erzeugen und Aufrechterhalten eines Quanteneffekts darin, ein Gleichgewicht zwischen der breiten Bandlücke und den Spin-Bahn-Kopplungseffekten zu finden.

Der von Hassan und seinem Team untersuchte Isolator hat eine Isolationslücke von mehr als 200 meV, die groß genug ist, um thermisches Rauschen zu überwinden, aber klein genug, um den Spin-Bahn-Kopplungseffekt und die Reflexionstopologie der Bandagen nicht zu stören.

Eine revolutionäre Entdeckung der Elektronik

Hassan sagt: In unseren Experimenten fanden wir ein Gleichgewicht zwischen den Effekten der Spin-Bahn-Kopplung und einer großen Bandlücke. Wir entdeckten, dass es einen „schönen Punkt“ gibt, an dem es eine relativ große Spin-Bahn-Kopplung geben kann, um eine topologische Hülle zu erzeugen und die Bandlücke zu vergrößern, ohne sie zu zerstören. Es ist so etwas wie der Gleichgewichtspunkt für Materialien auf Wismutbasis, die wir seit langem untersuchen. „.

Um diese Eigenschaft hervorzuheben, verwendeten die Forscher ein Tunnelmikroskop mit subatomarer Auflösung, ein einzigartiges Gerät, das eine als „Quantentunneln“ bekannte Eigenschaft nutzt. Wenn sich die Spitze des Monoatommikroskops konkret der Oberfläche auf 1 nm nähert, bleiben die Spitzenelektronen nur ungern auf der Spitze und können auf die Oberfläche übertragen werden, was den Tunneleffekt veranschaulicht. Das Mikroskop bestimmt die elektrische Leitfähigkeit zwischen Spitze und Oberfläche, also die Stromstärke, die durch sie hindurchfließt. Wenn wir Zeile für Zeile scannen, erhalten wir eine elektronische Karte der Oberfläche und jedes darauf platzierten Atoms oder Moleküls.

So beobachteten die Forscher den scheinbaren Quantenspin-Hall-Kantenzustand, eine wichtige Eigenschaft, die nur in topologischen Systemen existiert. Dies erfordert zusätzliche neue Geräte, um den topologischen Effekt eindeutig zu isolieren.

Nana Shumiya, Postdoktorandin in Elektro- und Computertechnik und eine der drei Co-Autoren der Studie, erklärt: Es ist großartig, dass wir sie ohne riesigen Druck oder ultrahohe Magnetfelder gefunden haben, was die Materialien für die Entwicklung von Quantentechnologien der nächsten Generation zugänglicher macht. Sie fügt hinzu: Ich denke, unsere Entdeckung wird die Grenzen der Quantentechnologie erheblich erweitern „.

Die Forscher wollen nun andere topologische Materialien identifizieren, die bei Raumtemperatur funktionieren könnten, und vor allem anderen Wissenschaftlern Werkzeuge und neue Hardwaremethoden zur Verfügung stellen, um Materialien zu identifizieren, die bei Raumtemperatur und erhöhten Temperaturen lebensfähig sind.

Quelle : Naturmaterialien