_ Fizicienii descoperă un roman stare cuantică într-un solid elementar

Fizicienii au observat un efect cuantic nou numit „topologie hibridă” într-un material cristalin. Această descoperire deschide o nouă gamă de posibilități pentru dezvoltarea de materiale și tehnologii eficiente pentru știința și inginerie cuantică de generație următoare.

Descoperirea, publicată în Nature, a venit atunci când oamenii de știință de la Princeton au descoperit că un cristal solid elementar format din atomi de arsen (As) găzduiește o formă de comportament cuantic topologic neobservată până acum. Ei au reușit să exploreze și să imagineze această nouă stare cuantică folosind un microscop cu tunel de scanare (STM) și spectroscopie de fotoemisie, aceasta din urmă o tehnică folosită pentru a determina energia relativă a electronilor din molecule și atomi.

Această stare combină , sau „hibridizează”, două forme de comportament cuantic topologic - stări de margine și stări de suprafață, care sunt două tipuri de sisteme de electroni cuantice bidimensionale. Acestea au fost observate în experimentele anterioare, dar niciodată simultan în același material în care se amestecă pentru a forma o nouă stare a materiei.

„Această descoperire a fost complet neașteptată”, a spus M. Zahid Hasan, Eugene Higgins. Profesor de fizică la Universitatea Princeton, care a condus cercetarea. „Nimeni nu a prezis-o în teorie înainte de observarea sa.”

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.

De mai bine de un deceniu, oamenii de știință au folosit bismut (Bi) izolatori topologici pentru a demonstra și explora efectele cuantice exotice în solidele în vrac, mai ales prin fabricarea de materiale compuse, cum ar fi amestecarea Bi cu seleniu (Se), de exemplu. Cu toate acestea, acest experiment este pentru prima dată când efecte topologice au fost descoperite în cristale formate din elementul As.

„Căutarea și descoperirea de noi proprietăți topologice ale materiei au apărut ca una dintre cele mai căutate comori. în fizica modernă, atât din punct de vedere fundamental al fizicii, cât și pentru găsirea de aplicații potențiale în știința și inginerie cuantică de generație următoare”, a spus Hasan. „Descoperirea acestei noi stări topologice realizată într-un solid elementar a fost permisă de multiple progrese experimentale inovatoare și instrumente în laboratorul nostru de la Princeton.”

Un solid elementar servește ca o platformă experimentală neprețuită pentru testarea diferitelor concepte de topologie. Până în prezent, bismutul a fost singurul element care găzduiește o bogată tapiserie de topologie, ducând la două decenii de activități de cercetare intense. Acest lucru este parțial atribuit curățeniei materialului și ușurinței de sinteză. Cu toate acestea, descoperirea actuală a unor fenomene topologice și mai bogate în arsen va deschide potențial calea către direcții de cercetare noi și susținute.

„Pentru prima dată, demonstrăm că, asemănător cu diferite fenomene corelate, ordine topologice distincte pot de asemenea, interacționează și dă naștere unor fenomene cuantice noi și interesante”, a spus Hasan.

Un material topologic este componenta principală folosită pentru a investiga misterele topologiei cuantice. Acest dispozitiv 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, din cauza proprietăților speciale ale topologiei, electronii care curg de-a lungul marginilor nu sunt împiedicați de niciun defecte sau deformații. Acest tip de dispozitiv are potențialul nu numai de a îmbunătăți tehnologia, ci și de a genera o mai bună înțelegere a materiei în sine prin sondarea proprietăților electronice cuantice.

Hasan a remarcat că există mult interes în utilizarea materialelor topologice pentru aplicații practice. Dar două progrese importante trebuie să se întâmple înainte ca acest lucru să se poată realiza. În primul rând, efectele topologice cuantice trebuie să se manifeste la temperaturi mai ridicate. În al doilea rând, trebuie găsite sisteme de materiale simple și elementare (cum ar fi siliciul pentru electronica convențională) care pot găzdui fenomene topologice.

„În laboratoarele noastre, avem eforturi în ambele direcții – căutăm sisteme de materiale mai simple. cu ușurință de fabricare, unde pot fi găsite efecte topologice esențiale”, a spus Hasan. „De asemenea, căutăm cum aceste efecte pot fi făcute să supraviețuiască la temperatura camerei.”

Rădăcinile descoperirii se află în funcționarea efectului cuantic Hall – o formă de efect topologic care a făcut obiectul studiului. Premiul Nobel pentru Fizică în 1985. De atunci, fazele topologice au fost studiate și au fost găsite multe clase noi de materiale cuantice cu structuri electronice topologice. Cel mai remarcabil, 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.

În mod similar, F. Duncan Haldane, Eugene Higgins, profesor de fizică la Princeton, a câștigat Premiul Nobel pentru fizică în 2016 pentru descoperirile teoretice ale tranzițiilor topologice de fază și un tip de izolator topologic bidimensional (2D). Evoluțiile teoretice ulterioare au arătat că izolatorii topologici pot lua forma a două copii ale modelului lui Haldane bazat pe interacțiunea electronului spin-orbita.

Hasan și echipa sa de cercetare au mers pe urmele acestor cercetători, investigând alte aspecte ale izolatorilor topologici și căutarea unor stări noi ale materiei. Acest lucru i-a condus, în 2007, la descoperirea primelor exemple de izolatori topologici tridimensionali (3D). De atunci, Hasan și echipa sa au fost într-o căutare de un deceniu pentru o nouă stare topologică în cea mai simplă formă care să poată funcționa și la temperatura camerei.

„O chimie atomică adecvată și un design de structură cuplat la primul -teoria principiilor este pasul crucial pentru a face predicția speculativă a izolatorului topologic realistă într-un cadru de temperatură înaltă”, a spus Hasan.

„Există sute de materiale cuantice și avem nevoie atât de intuiție, de experiență, de materiale- calcule specifice și eforturi experimentale intense pentru a găsi materialul potrivit pentru explorarea aprofundată în cele din urmă. Și asta ne-a dus într-o călătorie de un deceniu de investigare a multor materiale pe bază de bismut, ducând la multe descoperiri fundamentale."

Materialele pe bază de bismut sunt capabile, cel puțin în principiu, să găzduiască o stare topologică a materiei la temperaturi ridicate. Cu toate acestea, acestea necesită pregătirea materialelor complexe în condiții de vid ultra-înalt, așa că cercetătorii au decis să exploreze alte câteva sisteme. Cercetătorul postdoctoral Md. Shafayat Hossain a sugerat un cristal format din arsenic, deoarece poate fi cultivat într-o formă mai curată decât mulți compuși de bismut.

Când Hossain și Yuxiao Jiang, un student absolvent în grupul Hasan, s-au întors. STM de pe proba de arsen, ei au fost întâmpinați cu o observație dramatică - arsenul gri, o formă de arsen cu aspect metalic, adăpostește atât stări topologice de suprafață, cât și stări de margine simultan.

"Am fost surprinși. Gri Arsenicul trebuia să aibă doar stări de suprafață. Dar când am examinat marginile treptei atomice, am găsit și moduri frumoase ale marginilor conductoare", a spus Hossain.

„O margine de treaptă monostrat izolată nu ar trebui să aibă un mod de margine fără întreruperi”, a adăugat Jiang, co-primul autor al studiului.

Asta este ceea ce se vede în calculele lui Frank. Schindler, cercetător postdoctoral și teoretician al materiei condensate la Imperial College London din Regatul Unit, și Rajibul Islam, cercetător postdoctoral la Universitatea din Alabama din Birmingham, Alabama. Ambii sunt primii autori ai lucrării.

„Odată ce o margine este plasată deasupra eșantionului în vrac, stările de suprafață hibridizează cu stările cu goluri de pe margine și formează o stare fără întreruperi”, a spus Schindler. .

„Este prima dată când vedem o astfel de hibridizare”, a adăugat el.

Din punct de vedere fizic, o astfel de stare fără întreruperi pe marginea treptei nu este de așteptat nici pentru puternic, nici mai mare. -ordonați izolatorii topologici separat, dar numai pentru materiale hibride în care sunt prezente ambele tipuri de topologie cuantică. Această stare fără întrerupere este, de asemenea, spre deosebire de stările de suprafață sau balamale în izolatorii topologici puternici și, respectiv, de ordin superior. Acest lucru a însemnat că observația experimentală a echipei Princeton a indicat imediat un tip de stare topologică neobservată până acum.

David Hsieh, președintele Diviziei de Fizică de la Caltech și un cercetător care nu a fost implicat în studiu , a subliniat concluziile inovatoare ale studiului.

„De obicei, considerăm că structura de bandă în vrac a unui material se încadrează într-una dintre mai multe clase topologice distincte, fiecare legată de un anumit tip de stare limită”, a spus Hsieh. . „Această lucrare arată că anumite materiale se pot încadra simultan în două clase. Cel mai interesant este că stările limită care apar din aceste două topologii pot interacționa și reconstrui într-o nouă stare cuantică care este mai mult decât o suprapunere a părților sale.”

Cercetătorii au confirmat în continuare măsurătorile microscopiei de scanare cu tunel cu spectroscopie de fotoemisie sistematică de înaltă rezoluție cu rezoluție unghiulară.

„Proba gri As este foarte curată și am găsit semnături clare ale unei stări de suprafață topologică, „, a spus Zi-Jia Cheng, un student absolvent în grupul Hasan și un co-primul autor al lucrării care a efectuat unele dintre măsurătorile fotoemisiei.

Combinația de tehnici experimentale multiple le-a permis cercetătorilor să analizeze corespondența unică-suprafață-margine asociată cu starea topologică hibridă - și coroborează constatările experimentale.

Impactul acestei descoperiri este dublu. Observarea modului de margine topologic combinat și a stării de suprafață deschide calea pentru a crea noi canale topologice de transport de electroni. Acest lucru poate permite proiectarea de noi științe a informațiilor cuantice sau dispozitive de calcul cuantic.

Cercetătorii de la Princeton au demonstrat că modurile de margine topologică sunt prezente numai de-a lungul unor configurații geometrice specifice care sunt compatibile cu simetriile cristalului, luminând o cale către proiectează diverse forme de nanodispozitive viitoare și electronice bazate pe spin.

Din perspectivă mai largă, societatea beneficiază atunci când sunt descoperite noi materiale și proprietăți, a spus Hasan. În materialele cuantice, identificarea solidelor elementare ca platforme materiale, cum ar fi antimoniul care găzduiește o topologie puternică sau bismutul care găzduiește o topologie de ordin superior, a condus la dezvoltarea de noi materiale care au avantajat enorm domeniul materialelor topologice.

„Ne imaginăm că arsenul, cu topologia sa unică, poate servi ca o nouă platformă la un nivel similar pentru dezvoltarea de noi materiale topologice și dispozitive cuantice care nu sunt în prezent accesibile prin platformele existente”, a spus Hasan.

Grupul Princeton a proiectat și construit experimente noi pentru explorarea materialelor izolatoare topologice de peste 15 ani. Între 2005 și 2007, de exemplu, echipa condusă de Hasan a descoperit ordinea topologică într-un solid în vrac tridimensional de bismut-antimoniu, un aliaj semiconductor și materiale Dirac topologice aferente folosind metode experimentale noi.

Acest lucru a dus la descoperirea materialelor magnetice topologice. Între 2014 și 2015, au descoperit și dezvoltat o nouă clasă de materiale topologice numite semimetale Weyl magnetice.

Cercetătorii cred că această descoperire va deschide ușa către o serie întreagă de posibilități și aplicații viitoare de cercetare în tehnologiile cuantice. în special în așa-numitele tehnologii „verzi”.

„Cercetarea noastră este un pas înainte în demonstrarea potențialului materialelor topologice pentru electronica cuantică cu aplicații de economisire a energiei”, a spus Hasan.

(Fluierul)