حالت کوانتومی عجیب و غریب در دمای اتاق کشف شد

به گزارش گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا به نقل از وبگاه (سای تک دیلی)، برای اولین بار، فیزیکدانان اثرات کوانتومی جدیدی را در یک عایق توپولوژیکی در دمای اتاق مشاهده کردند.

محققان دانشگاه پرینستون کشف کردند که ماده‌ای به نام عایق توپولوژیکی که از عناصر بیسموت و برم ساخته شده است، رفتار‌های کوانتومی ویژه‌ای را نشان می‌دهد که معمولاً فقط در شرایط آزمایشی شدید فشار‌های بالا و دمای نزدیک به صفر مطلق دیده می‌شود. این یافته طیف جدیدی از احتمالات را برای توسعه فناوری‌های کوانتومی کارآمد مانند الکترونیک مبتنی بر چرخش و با بازده انرژی بالا باز می‌کند.

فیزیکدانان برای اولین بار اثرات کوانتومی جدیدی را در یک عایق توپولوژیکی در دمای اتاق مشاهده کردند. این پیشرفت زمانی حاصل شد که دانشمندان دانشگاه پرینستون یک ماده توپولوژیکی مبتنی بر عنصر بیسموت را بررسی کردند. 

در حالی که بیش از یک دهه است که دانشمندان از عایق‌های توپولوژیکی برای نشان دادن اثرات کوانتومی استفاده کرده اند، این آزمایش اولین بار است که این اثرات در دمای اتاق مشاهده می‌شود. القا و مشاهده حالات کوانتومی در عایق‌های توپولوژیکی معمولاً به دمایی در حدود صفر مطلق نیاز دارد که برابر با منفی ۴۵۹ درجه فارنهایت (یا -۲۷۳ درجه سانتیگراد) است.

این یافته طیف جدیدی از احتمالات را برای توسعه فناوری‌های کوانتومی کارآمد، مانند الکترونیک مبتنی بر اسپین، که پتانسیل جایگزینی بسیاری از سیستم‌های الکترونیکی کنونی را با بازده انرژی بسیار بالاتری دارد، باز می‌کند.

در سال‌های اخیر، مطالعه حالت‌های توپولوژیکی ماده توجه قابل توجهی را در بین فیزیکدانان و مهندسان به خود جلب کرده است. در واقع، در حال حاضر کانون توجه و تحقیقات بین المللی زیادی است. این حوزه مطالعاتی، فیزیک کوانتومی را با توپولوژی ترکیب می‌کند - شاخه‌ای از ریاضیات نظری که ویژگی‌های هندسی را که می‌توانند تغییر شکل دهند، اما تغییر ذاتی ندارند، بررسی می‌کند.

زاهد حسن گفت: خواص توپولوژیکی جدید ماده به عنوان یکی از گنجینه‌های مورد توجه در فیزیک مدرن ظهور کرده است، هم از دیدگاه فیزیک بنیادی و هم برای یافتن کاربرد‌های بالقوه در مهندسی کوانتومی و فناوری نانو نسل بعدی.  پروفسور یوجین هیگینز، استاد فیزیک دانشگاه پرینستون، که رهبری این تحقیق را بر عهده داشت.

حسن اضافه کرد: این کار با پیشرفت‌های تجربی ابتکاری متعدد در آزمایشگاه ما در پرینستون امکان‌پذیر شد.

عایق توپولوژیکی جزء اصلی دستگاهی است که برای بررسی اسرار توپولوژی کوانتومی استفاده می‌شود. این یک دستگاه منحصر به فرد است که به عنوان یک عایق در داخل آن عمل می‌کند، به این معنی که الکترون‌های داخل آن آزادانه حرکت نمی‌کنند و بنابراین جریان الکتریکی را هدایت نمی‌کنند.

با این حال، الکترون‌های روی لبه‌های دستگاه آزادانه حرکت می‌کنند، به این معنی که رسانا هستند. علاوه بر این، به دلیل ویژگی‌های خاص توپولوژی، الکترون‌هایی که در امتداد لبه‌ها جریان دارند، با هیچ نقص یا تغییر شکلی مواجه نمی‌شوند. این دستگاه نه تنها توانایی بهبود فناوری را دارد، بلکه با کاوش در خواص الکترونیکی کوانتومی، درک بیشتری از خود ماده نیز ایجاد می‌کند.

با این حال، تاکنون یک مانع بزرگ در تلاش برای استفاده از مواد و دستگاه‌ها برای کاربرد‌ها در دستگاه‌های کاربردی وجود داشته است.

حسن می‌گوید: علاقه زیادی به مواد توپولوژیکی وجود دارد و مردم اغلب در مورد پتانسیل بزرگ آن‌ها برای کاربرد‌های عملی صحبت می‌کنند، اما تا زمانی که برخی از اثرات توپولوژیکی کوانتومی ماکروسکوپی در دمای اتاق ظاهر نشود، این کاربرد‌ها احتمالاً محقق نشده باقی خواهند ماند.

این به این دلیل است که دمای محیط یا دمای بالا چیزی را ایجاد می‌کند که فیزیکدانان آن را "صدای حرارتی" می‌نامند، که به عنوان افزایش دما تعریف می‌شود به طوری که اتم‌ها شروع به ارتعاش شدید می‌کنند. این عمل می‌تواند سیستم‌های کوانتومی ظریف را مختل کند و در نتیجه حالت کوانتومی را از بین ببرد.

اثر کوانتومی ویژه به ویژه در عایق‌های توپولوژیکی، این دما‌های بالاتر شرایطی را ایجاد می‌کنند که در آن الکترون‌های روی سطح عایق به داخل، یا "توده" عایق حمله می‌کنند و باعث می‌شوند که الکترون‌ها در آنجا نیز شروع به هدایت کنند که رقیق یا شکسته می‌شود. 

راه حل این است که چنین آزمایش‌هایی را در معرض دما‌های فوق‌العاده سرد قرار دهیم، معمولاً در صفر مطلق یا نزدیک به آن. در این دما‌های فوق‌العاده پایین، ذرات اتمی و زیر اتمی دیگر ارتعاش خود را متوقف می‌کنند و در نتیجه دستکاری آسان‌تر می‌شوند.

اما ایجاد و حفظ یک محیط فوق سرد برای بسیاری از کاربرد‌ها غیر عملی است. پرهزینه، حجیم است و مقدار قابل توجهی انرژی مصرف می‌کند.

با این حال، حسن و تیمش روشی نوآورانه برای دور زدن این مشکل ایجاد کرده اند. آن‌ها با تکیه بر تجربه خود با مواد توپولوژیکی و کار با بسیاری از همکاران، نوع جدیدی از عایق توپولوژیکی ساخته شده از بیسموت برومید (فرمول شیمیایی α-Bi۴Br۴)، که یک ترکیب کریستالی معدنی است که گاهی برای تصفیه آب و آنالیز‌های شیمیایی استفاده می‌شود، ساختند.

نانا شومیا، که مدرک دکترای خود را دریافت کرده است، گفت: این بسیار شگفت انگیز است که ما آن‌ها را بدون فشار غول پیکر یا میدان مغناطیسی فوق العاده بالا یافتیم، بنابراین مواد را برای توسعه فناوری کوانتومی نسل بعدی در دسترس‌تر می‌کنیم. در پرینستون، یک دانشیار پژوهشی فوق دکتری در مهندسی برق و کامپیوتر است و یکی از سه نویسنده اول مقاله است.

او افزود: من معتقدم که کشف ما به طور قابل توجهی مرز کوانتومی را پیش خواهد برد.

ریشه‌های این کشف در کارکرد اثر هال کوانتومی نهفته است - شکلی از اثر توپولوژیکی که موضوع جایزه نوبل فیزیک در سال ۱۹۸۵ بود. از آن زمان، مراحل توپولوژیکی به شدت مورد مطالعه قرار گرفته است. بسیاری از کلاس‌های جدید از مواد کوانتومی با ساختار‌های الکترونیکی توپولوژیکی، از جمله عایق‌های توپولوژیکی، ابررسانا‌های توپولوژیکی، آهنربا‌های توپولوژیکی و نیمه فلزات ویل، یافت شده اند.

در حالی که اکتشافات تجربی به سرعت در حال انجام بودند، اکتشافات نظری نیز در حال پیشرفت بودند. مفاهیم نظری مهمی در مورد عایق‌های توپولوژیکی دو بعدی (۲ بعدی) در سال ۱۹۸۸ توسط F. Duncan Haldane، استاد فیزیک دانشگاه شرمن فیرچایلد در پرینستون مطرح شد. او در سال ۲۰۱۶ جایزه نوبل فیزیک را برای اکتشافات نظری انتقال فاز توپولوژیکی و نوعی عایق توپولوژیکی دوبعدی دریافت کرد.

پیشرفت‌های نظری بعدی نشان داد که عایق‌های توپولوژیکی می‌توانند به شکل دو نسخه از مدل Haldane بر اساس برهمکنش الکترون اسپین-مدار باشند.

حسن و تیمش به دنبال کشف اولین نمونه‌های عایق‌های توپولوژیکی سه‌بعدی در سال ۲۰۰۷، یک دهه در جستجوی یک حالت کوانتومی توپولوژیکی بودند که ممکن است در دمای اتاق نیز کار کند. اخیراً آن‌ها راه‌حلی برای مواد هالدان پیدا کردند حدس در یک آهنربای شبکه کاگوم که قادر به کار در دمای اتاق است، که همچنین کوانتیزاسیون مورد نظر را نشان می‌دهد.

عایق‌های توپولوژیکی شبکه کاگوم را می‌توان به گونه‌ای طراحی کرد که دارای تلاقی نواری نسبیتی و برهمکنش‌های الکترون-الکترون قوی باشد. هر دو برای مغناطیس جدید ضروری هستند. بنابراین، ما متوجه شدیم که آهنربا‌های کاگوم یک سیستم امیدوارکننده برای جستجوی فاز‌های آهنربای توپولوژیکی هستند، زیرا آن‌ها مانند عایق‌های توپولوژیکی هستند که بیش از ده سال پیش کشف و مطالعه کردیم.

حسن می‌گوید: یک شیمی اتمی و طراحی ساختار مناسب همراه با نظریه اصول اول، گامی حیاتی برای واقعی‌سازی پیش‌بینی گمانه‌زنی عایق‌های توپولوژیکی در شرایط دمای بالا است. صد‌ها ماده توپولوژیکی وجود دارد، و ما به شهود، تجربه، محاسبات خاص مواد و تلاش‌های آزمایشی شدید نیاز داریم تا در نهایت ماده مناسب برای اکتشاف عمیق را پیدا کنیم؛ و این ما را به یک سفر یک دهه‌ای برای بررسی بسیاری از مواد مبتنی بر بیسموت برد.

عایق‌ها نیز مانند نیمه هادی‌ها دارای شکاف‌های عایق یا نواری هستند. این‌ها در اصل «موانع» بین الکترون‌های در حال گردش هستند، نوعی «سرزمین هیچ‌کس» که الکترون‌ها نمی‌توانند به آنجا بروند. این شکاف‌های باند بسیار مهم هستند، زیرا، در میان چیز‌های دیگر، پایه اصلی غلبه بر محدودیت دستیابی به یک حالت کوانتومی ناشی از نویز حرارتی را فراهم می‌کنند.

آن‌ها این کار را در صورتی انجام می‌دهند که عرض شکاف باند از عرض نویز حرارتی بیشتر شود. اما یک شکاف باند بسیار زیاد به طور بالقوه می‌تواند جفت شدن مدار اسپین الکترون‌ها را مختل کند - این برهمکنش بین اسپین الکترون و حرکت مداری آن در اطراف هسته است. هنگامی که این اختلال رخ می‌دهد، حالت کوانتومی توپولوژیکی فرو می‌ریزد. بنابراین، ترفند در القا و حفظ یک اثر کوانتومی، یافتن تعادل بین یک شکاف باند بزرگ و اثرات جفت شدن مدار اسپین است.

پس از پیشنهاد همکاران و نویسندگان همکار فن ژانگ و یوگی یائو برای کشف نوعی از فلزات ویل، حسن و تیمش خانواده مواد برومید بیسموت را مطالعه کردند. اما محققان قادر به مشاهده پدیده ویل در این مواد نبودند. آن‌ها در عوض دریافتند که عایق برومید بیسموت دارای خواصی است که آن را در مقایسه با عایق توپولوژیکی مبتنی بر آنتیموان بیسموت (آلیاژ‌های Bi-Sb) که قبلاً مطالعه کرده بودند، ایده آل‌تر می‌کند.

دارای یک شکاف عایق بزرگ بیش از ۲۰۰ میلی ولت ("میلی الکترون ولت") است. این به اندازه کافی بزرگ است تا بر نویز حرارتی غلبه کند، اما به اندازه کافی کوچک است تا اثر جفت شدن مدار چرخشی و توپولوژی وارونگی باند را مختل نکند.

حسن می‌گوید: در این مورد، در آزمایش‌های خود، تعادلی بین اثرات جفت شدن مدار چرخشی و عرض شکاف باند بزرگ پیدا کردیم. ما متوجه شدیم که یک «نقطه شیرین» وجود دارد که در آن می‌توان کوپلینگ مدار چرخشی نسبتاً بزرگی برای ایجاد پیچش توپولوژیکی و همچنین افزایش شکاف باند بدون از بین بردن آن داشت. این به نوعی مانند یک نقطه تعادل برای مواد مبتنی بر بیسموت است که ما برای مدت طولانی مطالعه می‌کنیم.

هنگامی که محققان از طریق میکروسکوپ تونلی روبشی با تفکیک پذیری زیر اتمی آنچه را که در این آزمایش در جریان بود مشاهده کردند، متوجه شدند که به هدف خود رسیده اند. این میکروسکوپ یک دستگاه منحصر به فرد است که از خاصیتی به نام "تونل زنی کوانتومی" استفاده می‌کند، جایی که الکترون‌ها بین نوک فلزی تیز و تک اتمی میکروسکوپ و نمونه قیف می‌شوند.

میکروسکوپ از این جریان تونل زنی به جای نور برای مشاهده جهان الکترون‌ها در مقیاس اتمی استفاده می‌کند. این تیم یک حالت لبه اسپین کوانتومی واضح را مشاهده کردند که یکی از ویژگی‌های مهمی است که به طور منحصر به فرد در سیستم‌های توپولوژیکی وجود دارد. این نیاز به ابزار دقیق جدیدی داشت تا اثر توپولوژیکی را به طور منحصر به فرد جدا کند.

حسن گفت: برای اولین بار، ما نشان دادیم که دسته‌ای از مواد توپولوژیکی مبتنی بر بیسموت وجود دارد که توپولوژی تا دمای اتاق دوام می‌آورد. ما به نتیجه خود بسیار مطمئن هستیم.

این یافته اوج سال‌ها کار تجربی سخت به دست آمده است و نیاز به ایده‌های جدید ابزار دقیق برای معرفی در آزمایش‌ها دارد. حسن برای بیش از ۱۵ سال محقق برجسته در زمینه مواد توپولوژیکی کوانتومی تجربی با روش‌های آزمایشی جدید بوده است؛ و در واقع یکی از محققین پیشگام اولیه این رشته بود. برای مثال، بین سال‌های ۲۰۰۵ و ۲۰۰۷، او و تیم پژوهشگرانش نظم توپولوژیکی را در یک جامد توده‌ای سه بعدی بیسموت-آنتیمون، یک آلیاژ نیمه رسانا و مواد توپولوژیکی دیراک مرتبط با استفاده از روش‌های تجربی جدید کشف کردند. این منجر به کشف مواد مغناطیسی توپولوژیکی شد.

بین سال‌های ۲۰۱۴ و ۲۰۱۵، آن‌ها دسته جدیدی از مواد توپولوژیکی به نام نیمه فلزات ویل مغناطیسی را کشف کردند. محققان بر این باورند که این پیشرفت دری را به روی مجموعه‌ای از احتمالات تحقیقاتی و کاربرد‌های آینده در فناوری‌های کوانتومی باز خواهد کرد.

 شفایات حسین، محقق فوق دکتری در آزمایشگاه حسن و یکی دیگر از نویسندگان اول این مطالعه، گفت: ما معتقدیم که این یافته ممکن است نقطه شروع توسعه آینده در فناوری نانو باشد. احتمالات پیشنهادی زیادی در فناوری توپولوژیکی وجود دارد که در انتظار آن است و یافتن مواد مناسب همراه با ابزار دقیق جدید یکی از کلید‌های این امر است.

یکی از حوزه‌های تحقیقاتی که حسن و تیمش بر این باورند که این پیشرفت تأثیر خاصی خواهد داشت، روی فناوری‌های کوانتومی نسل بعدی است. محققان بر این باورند که این پیشرفت جدید توسعه مواد کوانتومی کارآمدتر و "سبزتر" را تسریع خواهد کرد.

حسن گفت: در حال حاضر تمرکز نظری و تجربی گروه در دو جهت متمرکز شده است. ابتدا، محققان می‌خواهند تعیین کنند که چه مواد توپولوژیکی دیگری ممکن است در دمای اتاق کار کنند، و مهمتر از همه، ابزار‌ها و روش‌های جدید ابزار دقیق را برای شناسایی موادی که در دمای اتاق و بالا عمل می‌کنند در اختیار دانشمندان دیگر قرار دهند. ثانیاً، محققان می‌خواهند اکنون به کاوش عمیق‌تر در دنیای کوانتومی ادامه دهند که این یافته امکان انجام آزمایش‌ها را در دما‌های بالاتر فراهم کرده است.

این مطالعات مستلزم توسعه مجموعه دیگری از ابزار دقیق و تکنیک‌های جدید برای استفاده کامل از پتانسیل عظیم این مواد است. حسن گفت: من فرصت فوق‌العاده‌ای را برای کاوش عمیق بیشتر پدیده‌های کوانتومی عجیب و غریب و پیچیده با ابزار دقیق جدیدمان، ردیابی جزئیات دقیق‌تر در حالت‌های کوانتومی ماکروسکوپی می‌بینم. چه کسی می‌داند ما چه چیزی را کشف خواهیم کرد؟ 

حسن افزود: تحقیق ما یک گام واقعی رو به جلو در نشان دادن پتانسیل مواد توپولوژیکی برای کاربرد‌های صرفه جویی در انرژی است. کاری که ما در اینجا با این آزمایش انجام دادیم، کاشت بذری بود تا دانشمندان و مهندسان دیگر را به رویا‌های بزرگ تشویق کنیم.