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
При использовании материалов с сайта активная ссылка на него обязательна
Последние аномальные новости

В один прекрасный день ИИ сможет выполнять всю нашу работу

В сеть просочился отчет о встрече ВМС США с НЛО

Давайте поговорим о неопознанных подводных объектах

Доказательства существования инопланетной жизни

Жизнь нужно искать в пурпурных мирах

Жители графства Дербишир взбешены таинственным жужжанием

Как философы воспринимали инопланетную жизнь

Метеорит, пробивший крышу дома во Флориде, прилетел с МКС

Миссия НАСА Солнечный парус готовится к запуску

На протяжении 600 лет манускрипт Войнича остается загадкой

НАСА ищет дешевый способ доставки образцов с Марса

Обнаружена самая массивная черная дыра в нашей галактике

Паранормальные корни программы Пентагона по НЛО

Подтвержден полет аппарата Dragonfly к Титану

Правительство пытается скрыть правду о НЛО

Пурпурные миры населены инопланетянами

Робот-гуманоид Ameca может имитировать человеческую речь

Тестирование технологий для полета на Марс

Человекоподобный НЛО замечен в небе Калифорнии

Я встретил лысых инопланетян–гуманоидов

В небе Калифорнии замечен странный НЛО

Великобритания разрабатывает правила для ИИ

Город богов разрушило мегаземлетрясение

Еще один механизм выживания тихоходок в космосе

Жуткое послание убийцы Зодиака

Квантовый интернет все ближе

Ковчег Завета питал Великую пирамиду Гизы

Морской офицер выражает тревогу по поводу водных НЛО

Нет доказательств существования инопланетных технологий

Новая книга дает представление о космических поисках жизни

Обнаружили близкую массивную черную дыру

Перепись ближайших окрестностей Солнца

Проект по классификации гамма-всплесков

Пурпурный, а не зеленый цвет - цвет жизни на экзопланетах

Стивен Спилберг снимет новый фильм об НЛО

Тайна объекта в форме сердца на поверхности Плутона

Тайна орбитальной нестабильности планет-гигантов

Технология передачи энергии с космических электростанций

Церера таит в себе мрачную тайну

Электричество и батарейки древних египтян

Yeezy Boost 350 v2 Black Черные. Икона Стиля и Инновации

Билл Гейтс поддерживает искусственный интеллект

В небе Калифорнии замечен таинственный объект

В пещерах на Марсе могут находиться инопланетяне

Геолог-любитель получил сильные ожоги от НЛО

Житель Лондона принял вертолет за НЛО

За НЛО отправляйтесь в маленький городок в Висконсине

Звездолеты помогут в поисках новых физических явлений

Интернет может достичь квантовой скорости

Космические силы США готовятся к первой в истории миссии

Министерство обороны публикует документы Kona Blue

Нейтронные звезды нагреваются от аннигиляции темной материи

Нострадамус предсказал войну в 2024 году

Победителем президентских выборов в 2032 году станет робот

Подводные НЛО ставят под угрозу морскую безопасность США

Подводный НЛО сняло исследовательское судно

Проклятая могила с 450 обезглавленными вампирами

Рассекреченный отчет раскрывает дематериализацию НЛО

Тайна высоких уровней энергии в звездных сверхвспышках

Уважаемый астроном не верит в теории заговора об НЛО

Ярчайший гамма-всплеск породила коллапсирующая звезда

Франшиза Pro.Travel. Предпринимательский успех Татьяны Мамаевой

Возвращение денежных средств пострадавшим от брокеров-мошенников. Путь к справедливости

Встреча с НЛО, от которой у человека расплавились пальцы

Детеныш инопланетянина найден в мексиканской пещере

Инопланетяне помешали человечеству скатиться к ядерной войне

Как ученые сообщат человечеству об инопланетянах

Канадский рейтинг мест для наблюдения НЛО

Ключ к поиску жизни в отдаленных мирах

Лучшие наблюдения НЛО в Северной Каролине

Люди не верят, что никаких НЛО нет

Мужчина получил сильные ожоги при встрече с НЛО

Мужчина с разбитым сердцем построил Космические врата

Музей странного и чудесного в Канзасе

Настоящие убежища из сериала Fallout уже построены

НЛО заметили над долиной Нижнего Гудзона

НЛО около Антарктиды - ошибка программного обеспечения

НЛО представляют угрозу безопасность на море

Подводные НЛО ставят под угрозу морскую безопасность США

Призрачные нарушения звездных потоков темной материей

Термодинамика поможет описать расширение Вселенной

Что это за НЛО замечен над штатом Нью-Йорк

Эксцентриситет орбиты создал океан на Мимасе

Более четверти россиян верят в существование инопланетян

Гигантские человеческие скелеты в пещере Лавлок

Глобальное потепление лишит Антарктиду 76% метеоритов

Девочки-близнецы испытывают одинаковые чувства

Древнеиндийская мандала в районе линий Наска

Древние легенды и мифы рассказывают о ануннаках

Женщина чудом выжила после удара молнии

ИИ может притворяться более глупым, чем есть на самом деле

История об оборотнях пронизана загадками и тайнами

Клетки поджелудочной железы пересадят от свиньи человеку

Космические кладбища, затмение и ждать ли НЛО

Космические силы США планируют провести учения на орбите

Магическая сила, делающее тело неуязвимым

Маленькие человечки похитили мужчину

Под Уфой заметили НЛО

Таинственные лабиринты Чинканас

Тайна упавшей в Омске кометы и 17000 фото НЛО

Тайны европейских подземных тоннелей

Тело фанатки вампиров нашли обескровленным

Экстрасенс нашел место захоронения пропавшего мальчика

Гильотинные ножницы по металлу. Назначение и критерии выбора

Как выбрать массажное кресло

Франшиза CyberSeller под управлением Азата Аширова

Большинство людей хотят заниматься сексом с роботами

Будущие эпидемии могут возникнуть из-за ИИ

В Башкирии жители заметили НЛО в небе

В новом отчете Пентагона по НЛО есть серьезные недостатки

Вычисление точных размеров экзопланет

Зонд для поисков жизни на спутниках Юпитера

Кислород и углерод улетучиваются из магнитосферы Венеры

Мы не готовы к вторжению инопланетян

НЛО замечен небе над Екатеринбургом

Новая идея для космических солнечных батарей

Обнаружены звездные ветры от трех солнцеподобных звезд

Поиски неуловимого Лох-Несского чудовища

Призрак опрокидывает напитки в одном из пабов Британии

Странный сигарообразный НЛО над шоссе в Миссури

Существо-муравей замечено на Марсе

Тёмная материя повышенной плотности существует

Ужасающая реальность ядерной радиации

Уэльс - горячая точка внеземной активности

Человек-сатана сменил имя на Дьявол

Ярчайший гамма-всплеск произошел из-за коллапса звезды

Беспроводная передача энергии поможет изучить Луну

Бывшая жена призрака стала ведьмой

В поисках асимметрии между материей и антивеществом

Какая часть атмосферы Венеры образуется за счет вулканов

Наблюдения НЛО в Канаде продолжаются

НАСА попросили помочь в поисках Лох-Несского чудовища

Необъяснимая аномалия вблизи Антарктиды движется на север

Новый сейсмодатчик для обнаружения лунотрясений

Порнозвезда рассказала о своем столкновении с призраками

Раскрывая секреты НЛО. Взгляд доктора Стивена Грира

Солнечные паруса нового поколения готовы к запуску

Столкновение звезд раскрывает звездную тайну

Терминаторы могут появиться уже в следующем году

Триггеры нового поколения для детекторов ЦЕРН

Удивительные горячие точки НЛО в Техасе

Ученые БАК изучают звездные пути инопланетян

Физика и математика стоящие за 'Задачей трех тел'

Человек появился спустя 30 лет без памяти

Черная дыра замечена вблизи Кейптауна

Черный НЛО замечен над океаном около Тампы

Для изучения астероидов потребуются разумные зонды

Доказательство путешествий во времени

Дьявол будет парить в вышине, вызывая изумление

Если на Европе и есть гейзеры, то они очень слабые

Затмения лежат в основе усилий по изучению экзопланет

ИИ может воспроизвести голос любого человека

Как искусственные сотрудники повлияют на живых

Конспирологи опасаются демонических порталов

Люди плохо разбираются в теориях заговора

Новая свидетельница похищения инопланетянами в Паскагуле

Обнаружена новая молодая и теплая экзопланета

Питательные вещества для жизни на экзопланетах

Платформа из графита левитирует без электричества

Пугающая деталь в паспорте Нео

Роль Млечного Пути в древнеегипетской мифологии

Создатель аугментов вернулся к работе

Техас заменяет тысячи экзаменаторов-людей на ИИ

Технологии НАСА помогают защититься от лунной пыли

Фирма Synchron начинает испытания мозговых чипов на людях

Что будет с Землей, когда погаснет Солнце

Бигфут скрывается в горах с таинственной энергией

Биокомпоненты оказались стабильны в атмосфере Венеры

В Сочи корабли полетели над морем

Звезда бросает вызов происхождению быстрых радиовсплесков

НЛО в Розуэлле по-прежнему окутывает Вашингтон

Паранормальная природа встреч с НЛО и связь между ними

Почему так трудно бурить на поверхности планет

Разоблачители и поиск внеземной жизни

Самое необычное место для отдыха в Колорадо

Смотрите фильмы о непознанном на Netflix

Создали метажидкость с программируемыми свойствами

Тайна мумии русалки раскрыта

Тайна однобокой геологии Луны

Теории заговора вокруг Георга III и королевы Шарлотты

Ужасные рога мужчины-дьявола и женщины-носорога

Ученые БАК пытаются открыть пути инопланетян

Четыре ключевых вопроса об инопланетных технологиях

Что мы могли бы построить из лунного реголита

Южнокорейский зонд приняли за НЛО

Я был похищен долговязыми инопланетянами

Подписка на новости
Наверх