|
Экзотический эффект квантовой интерференции в изоляторе
|
|
|
|
В новом эксперименте физики наблюдали эффекты квантовой когерентности на больших расстояниях, вызванные интерференцией Ааронова-Бома в устройстве на основе топологического изолятора. Это открытие открывает новую сферу возможностей для будущего развития топологической квантовой физики и техники. Это открытие может также повлиять на развитие спиновой электроники, которая потенциально может заменить некоторые существующие электронные системы для более высокой энергоэффективности и может предоставить новые платформы для изучения квантовой информатики. Исследование, опубликованное в номере журнала Nature Physics от 20 февраля, является кульминацией более чем 15-летней работы в Принстоне. Это произошло, когда ученые из Принстона разработали квантовое устройство, названное топологическим изолятором из бромида висмута (альфа-Bi4Br4), толщиной всего несколько нанометров, и использовали его для исследования квантовой когерентности.
|
|
|
|
Ученые уже более десяти лет используют топологические изоляторы для демонстрации новых квантовых эффектов. Команда Принстона разработала изолятор на основе висмута в предыдущем эксперименте, где они продемонстрировали его эффективность при комнатной температуре. Но в этом новом эксперименте эти эффекты наблюдаются впервые с очень дальней квантовой когерентностью и при относительно высокой температуре. Для создания и наблюдения когерентных квантовых состояний обычно требуются температуры, близкие к абсолютному нулю, на искусственно созданных полупроводниковых материалах только в присутствии сильных магнитных полей. «Наши эксперименты предоставляют убедительные доказательства существования квантовой когерентности на больших расстояниях в топологических шарнирных модах, тем самым открывая новые возможности для развития топологических схем, а также использования этого топологического метода для исследования и развития фундаментальной физики», — сказал М. Захид Хасан. , профессор физики Юджина Хиггинса в Принстонском университете, который руководил исследованием.
|
|
|
«В отличие от обычных электронных устройств, топологические схемы устойчивы к дефектам и примесям, что делает их гораздо менее склонными к рассеянию энергии, что выгодно для более экологичных приложений». В последние годы изучение топологических состояний материи привлекло значительное внимание физиков и инженеров и в настоящее время находится в центре большого международного интереса и исследований. Эта область исследования сочетает в себе квантовую физику с топологией — разделом теоретической математики, изучающим геометрические свойства, которые можно деформировать, но не изменить по сути. Основное устройство, используемое для исследования тайн квантовой топологии, называется топологическим изолятором. Это уникальное устройство, которое действует как изолятор внутри, а это означает, что электроны внутри не могут свободно перемещаться и, следовательно, не проводят электричество. Однако электроны на краях устройства могут свободно перемещаться, а это означает, что они являются проводящими.
|
|
|
|
Более того, благодаря особым свойствам топологии, электронам, текущим по краям, не мешают никакие дефекты или деформации. В некоторых материалах на основе висмута также возможен особый тип топологии, где некоторые края могут иметь зазоры и только некоторые шарниры остаются проводящими. Устройство, изготовленное из таких топологических материалов, потенциально может не только улучшить технологию, но и способствовать лучшему пониманию самой материи путем исследования квантовых свойств новыми и инновационными способами. Однако до сих пор неспособность достичь длительного времени когерентности была основным камнем преткновения на пути к использованию материалов для применения в функциональных устройствах. Когерентность означает способность сохранять квантовые состояния суперпозиции и запутанности перед лицом разрушительных воздействий, таких как термализация или другие взаимодействия с окружающей средой.
|
|
|
|
«Существует большой интерес к топологическим материалам, и люди часто говорят об их большом потенциале для практического применения», — сказал Хасан, — «но до тех пор, пока не будет продемонстрировано, что какой-то макроскопический квантовый топологический эффект имеет длительную квантовую когерентность, которая может также работать при относительно высоких Таким образом, мы ищем материалы, которые демонстрируют дальнодействующую квантовую когерентность топологических электронов». Команда Хасана исследует топологические материалы на основе висмута уже почти два десятилетия. Однако недавно команда обнаружила, что изолятор из бромида висмута обладает свойствами, которые делают его более идеальным по сравнению с топологическими изоляторами на основе висмута (включая сплавы Bi-Sb), которые они изучали с 2005 года. Он имеет большой изолирующий зазор более 200 мэВ. (миллиэлектронвольты). Это достаточно велико, чтобы преодолеть тепловой шум, но достаточно мало, чтобы не нарушить эффект спин-орбитальной связи и топологию инверсии зон.
|
|
|
|
Изоляторы из бромида висмута принадлежат к классу топологических изоляторов, которые также демонстрируют эффекты высокого порядка, поверхности которых становятся изолирующими, но края ориентаций, диктуемых некоторой симметрией, остаются проводящими. Это так называемые шарнирные состояния, которые недавно были теоретизированы сотрудником и соавтором группы Титуса Нойперта из Цюрихского университета. «Хотя теоретически это не было гарантировано, в течение нескольких лет экспериментов мы обнаружили, что шарнирные состояния бромида висмута обладают очень дальнодействующей квантовой когерентностью при относительно высокой температуре. В этом случае в наших экспериментах на основе устройств, которые мы изготовили, мы обнаружили баланс между эффектами спин-орбитальной связи, дальнодействующей квантовой когерентностью и тепловыми флуктуациями», — сказал Хасан. «Мы обнаружили, что существует «золотая точка», где можно иметь относительно высокую степень квантовой когерентности топологических шарнирных мод, а также работать при относительно высокой температуре. Это своего рода точка баланса для материалов на основе висмута, которые мы разрабатываем. учились почти два десятилетия».
|
|
|
|
С помощью сканирующего туннельного микроскопа исследователи наблюдали четкое краевое состояние Холла квантового спина, которое является одним из важных свойств, которое уникально существует в топологических системах. Это потребовало дополнительных новых приборов, чтобы однозначно изолировать топологический эффект. Несмотря на то, что висмут обладает таким квантовым состоянием, сам материал представляет собой полуметалл без какой-либо изолирующей энергетической щели. Это затрудняет изучение его последствий для электронного транспорта, поскольку в висмуте транспортные каналы содержат электроны как из объемного, так и из шарнирного состояний. Они смешивают и размывают когерентный квантовый транспортный сигнал шарнирных состояний. Еще одна проблема вызвана тем, что физики называют «тепловым шумом», который определяется как повышение температуры, при котором атомы начинают сильно вибрировать. Это действие может разрушить хрупкие квантовые системы, тем самым разрушая квантовое состояние. В частности, в топологических изоляторах эти более высокие температуры создают ситуацию, в которой электроны на поверхности изолятора проникают внутрь или «объем» изолятора и заставляют электроны там тоже начинать проводить, что разжижает или разрушает изолятор. специальный квантовый эффект. Тепловые флуктуации также разрушают квантовую фазовую когерентность электронов.
|
|
|
|
Но изолятор из бромида висмута, разработанный командой, смог обойти эту и другие проблемы. Они использовали это устройство, чтобы продемонстрировать квантовый когерентный транспорт через топологические шарнирные моды. Отличительной чертой квантового когерентного транспорта является проявление квантовой интерференции Ааронова-Бома. Интерференция Ааронова-Бома, предсказанная почти 60 лет назад (физик Дэвид Бом работал в Принстоне с 1947 по 1951 год), описывает явление, при котором квантовая волна расщепляется на две волны, которые движутся по замкнутому пути и интерферируют под действием электромагнитного поля. потенциал. Результирующая интерференционная картина определяется магнитным потоком, охватываемым волнами. В случае электронов такая квантовая интерференция возникает, если электроны проводимости после завершения замкнутых траекторий остаются когерентными по фазе, что приводит к периодическим колебаниям электрического сопротивления с характерным периодом магнитного поля.
|
|
|
|
Для топологических каналов проводимости все фазово-когерентные траектории, участвующие в квантовой интерференции, охватывают одну и ту же область, перпендикулярную полю B, что отличается от универсальных флуктуаций проводимости. Здесь они представляют следы магнитосопротивления образцов альфа-Bi4Br4, которые демонстрируют B-периодические колебания, что является отличительной чертой эффекта Ааронова-Бома, обусловленного фазово-когерентными носителями. «Впервые мы продемонстрировали, что существует класс топологических электронных устройств на основе висмута, которые могут иметь высокую степень квантовой когерентности, выживая до относительно высоких температур, что связано с эффектом интерференции Ааронова-Бома, возникающим из-за фазово-когерентной топологической электроны», — сказал Хасан. Топологические корни открытия лежат в работе квантового эффекта Холла — формы топологического эффекта, которая стала предметом Нобелевской премии по физике в 1985 году. С тех пор топологические фазы интенсивно изучаются.
|
|
|
|
Было обнаружено множество новых классов квантовых материалов с топологической электронной структурой, в том числе топологические изоляторы, топологические сверхпроводники, топологические магниты и полуметаллы Вейля. Экспериментальные и теоретические открытия продолжались. Дэниел Цуй, почетный профессор электротехники Артура Леграна Доти в Принстоне, получил Нобелевскую премию по физике 1998 года за открытие дробного квантового эффекта Холла, а Ф. Дункан Холдейн, профессор физики Юджина Хиггинса в Принстоне, получил Нобелевскую премию 2016 года. Доктор физики за теоретические открытия топологических фазовых переходов и типа двумерных (2D) топологических изоляторов. Последующие теоретические разработки показали, что топологические изоляторы могут принимать форму двух копий модели Холдейна, основанной на спин-орбитальном взаимодействии электронов. Хасан и его команда уже десять лет занимаются поиском топологического квантового состояния, которое также может сохранять высокую степень квантовой когерентности при относительно высокой температуре, после открытия первых примеров трехмерных топологических изоляторов в 2007 году.
|
|
|
|
Недавно они нашли решение гипотезы Холдейна в топологическом материале, способном работать при комнатной температуре, который также демонстрирует желаемое квантование. «Подходящая атомная химия и конструкция структуры в сочетании с теорией первых принципов являются решающим шагом к тому, чтобы сделать спекулятивное предсказание топологического изолятора реалистичным в условиях устройства, поддерживающего длительную квантовую когерентность», — сказал Хасан. «Существует множество топологических материалов на основе Bi, и нам нужны интуиция, опыт, расчеты для конкретных материалов и интенсивные экспериментальные усилия, чтобы в конечном итоге найти правильный материал для углубленного исследования в условиях устройства. И это заняло у нас десятилетие». долгий путь исследования некоторых материалов на основе висмута, которые в конечном итоге, похоже, работают». «Мы считаем, что это открытие может стать отправной точкой будущего развития квантовой инженерии и нанотехнологий», — сказал Шафаят Хоссейн, научный сотрудник лаборатории Хасана и соавтор исследования.
|
|
|
|
«В топологической квантовой науке и инженерных технологиях было предложено так много возможностей, и поиск подходящих материалов со свойствами длительной квантовой когерентности в сочетании с новыми приборами является одним из ключей к этому. И это то, чего мы достигли». «Если электроны не подпрыгивают и не волнуются, они не теряют энергию», — сказал Хасан. «Это создает квантовую основу для энергосбережения или более экологически чистых технологий, поскольку они потребляют гораздо меньше энергии. Но до этого еще далеко». По словам Хасана, в настоящее время теоретическая и экспериментальная направленность команды Хасана сосредоточена в двух направлениях. Во-первых, исследователи хотят определить, какие другие топологические материалы могут демонстрировать аналогичный или более высокий уровень квантовой когерентности, и, что важно, предоставить другим ученым инструменты и новые методы измерения для идентификации этих материалов, которые будут работать при более высоких температурах.
|
|
|
|
Во-вторых, исследователи хотят продолжать глубже исследовать квантовый мир и искать новую физику в устройствах. Эти исследования потребуют разработки еще одного набора новых инструментов, методов и топологических устройств, чтобы полностью использовать огромный потенциал этих чудесных материалов. Нань Яо, соавтор статьи под названием «Квантовый транспортный отклик топологических шарнирных мод» и профессор практики Принстонского института материалов, подвел итоги исследования, сказав: «Эта работа по топологическим изоляторам более высокого порядка иллюстрирует красота и важность открытия новых граней природы, таких как квантовая когерентность топологических шарнирных состояний». «Это открытие потенциально может привести к захватывающим достижениям в области квантовых устройств, и мне вспоминается знаменитая цитата Эйнштейна: «Самое прекрасное, что мы можем испытать, — это таинственное. Это источник всего настоящего искусства и науки».
|
|
|
|
Источник
|
