ماده‌ای عجیب که مرز کوانتوم را جا به جا می‌کند

در یک مطالعه عملی محققان پرینستون وضعیت کوانتومی عجیبی را در ماده‌ی عایق توپولوژیکی در دمای اتاق نشان داده اند.

عایق توپولوژیکی ماده‌ای است که الکترون‌ها را به روشی منحصر به فرد هدایت می‌کند.در واقع از جریان الکترون‌ها به طور کامل جلوگیری می‌کند.با این حال، لایه‌های نازک در سطح و در امتداد لبه‌های آن بسیار رسانا هستند و به الکترون‌ها اجازه می‌دهند آزادانه با راندمان بالا جریان داشته باشند.

با توجه به این ویژگی‌ها و رفتار عجیب ماده مورد آزمایش، عایق‌های توپولوژیکی می‌توانند میزبان حالت‌های کوانتومی را بروز دهند، که در ساخت فناوری‌های کوانتومی آینده مفید باشند.در این مسیر یک مطلب مهم وجو دارد که بیشتر حالت‌های کوانتومی بسیار شکننده هستند و در برابر تداخل فرو می‌ریزند.

در واقع، گرما یا نویز حرارتی یک محرک اصلی است، وقتی مواد گرمتر می‌شوند، اتم‌های موجود در آن‌ها با انرژی‌های بالاتر ارتعاش پیدا می‌کنند و حالت کوانتومی را مختل می‌کند.

به همین دلیل، بیشتر آزمایش‌ها و فناوری‌هایی که از اثرات کوانتومی استفاده می‌کنند باید در دمای نزدیک به صفر مطلق انجام شوند، یعنی جایی که حرکت اتم‌ها به سرعت کند می‌شود.در نتیجه این فناوری‌ها برای استفاده گسترده‌تر غیر قابل کاربرد می‌شوند.

برای حل این مشکل، در مطالعه جدید، محققان پرینستون راهی برای حل این موضوع پیدا کردند و اثرات کوانتومی را در یک عایق توپولوژیکی در دمای اتاق بررسی کردند.عایق توپولوژیکی، ماده انتخابی به صورت یک ترکیب کریستالی معدنی به نام بیسموت برومید بود.

این ماده دارای شکاف نواری مناسب است، یک "سد" یا عایق که در آن الکترون‌ها نمی‌توانند با سطوح انرژی خاصی وجود داشته باشند.این شکاف نواری باید به اندازه کافی گسترده باشد تا در برابر نویز حرارتی محافظت کند، اما نه آنقدر گسترده باشد که اثر جفت شدن مدار چرخشی الکترون‌ها را مختل کند، که برای پایدار نگه داشتن آن‌ها حیاتی است.

تیم تحقیقاتی توانسته در یک نقطه، حالت کوانتومی را در دمای اتاق، ثابت نگه دارد.این تیم با مشاهده آنچه که حالت لبه هال اسپین کوانتومی نامیده می‌شود، یافته‌های خود را تأیید کردند. این ویژگی منحصرا برای سیستم‌های توپولوژیکی است.

محققان می‌گویند: دستیابی به این پیشرفت، میدان نوظهوری که داده‌ها را در اسپین‌های الکترون‌ها با بازدهی بالاتر از الکترونیک فعلی رمزگذاری می‌کند، مؤثر خواهد بود.

نانا شومیا نویسنده اول مطالعه گفت: ما مواد را برای توسعه نسل بعدی فناوری کوانتومی بدون فشار بسیار قوی یا میدان مغناطیسی بسیار بالا در دسترس آورده ایم.

 

این تحقیق در مجله Nature Materials منتشر شده است.

منبع: سایت نیواطلس منتشره از دانشگاه پرینستون

باشگاه خبرنگاران جوان علمی پزشکی فناوری