يأخذ التيار مسارًا مدهشًا في المواد الكمومية

يأخذ التيار مسارًا مدهشًا في المواد الكمومية

الطابع الزمني: 3 أغسطس 2023 الساعة 12:10 مساءً
عقدة المصدر: 2801583
03 أغسطس 2023 (أخبار Nanowerk) استخدم باحثو كورنيل التصوير المغناطيسي للحصول على أول تصور مباشر لكيفية تدفق الإلكترونات في نوع خاص من العازل، ومن خلال القيام بذلك اكتشفوا أن تيار النقل يتحرك عبر الجزء الداخلي من المادة، وليس عند الحواف، كما فعل العلماء يفترض منذ فترة طويلة. يوفر هذا الاكتشاف رؤى جديدة حول سلوك الإلكترون فيما يسمى بعوازل هول الكمومية الشاذة، وينبغي أن يساعد في تسوية جدل دام عقودًا حول كيفية تدفق التيار في عوازل هول الكمومية الأكثر عمومية. ستستفيد هذه الأفكار من تطوير المواد الطوبولوجية للأجهزة الكمومية من الجيل التالي. ورقة الفريق المنشورة في مواد الطبيعة (“Direct Visualization of Electronic Transport in a Quantum Anomalous Hall Insulator”). المؤلف الرئيسي هو مات فيرجسون، دكتوراه. 22، حالياً باحث ما بعد الدكتوراه في معهد ماكس بلانك للفيزياء الكيميائية للمواد الصلبة في ألمانيا. تعود أصول المشروع، الذي تقوده كاتيا نوفاك، أستاذ مساعد الفيزياء في كلية الآداب والعلوم والمؤلف الرئيسي للورقة البحثية، إلى ما يعرف باسم تأثير هول الكمي. تم اكتشاف هذا التأثير لأول مرة في عام 1980، وينتج عن تطبيق مجال مغناطيسي على مادة معينة لإثارة ظاهرة غير عادية: يصبح الجزء الداخلي من العينة السائبة عازلًا بينما يتحرك تيار كهربائي في اتجاه واحد على طول الحافة الخارجية. يتم قياس المقاومة أو تقييدها بقيمة محددة بواسطة الثابت العالمي الأساسي وتنخفض إلى الصفر. يحقق عازل هول الكمي الشاذ، الذي تم اكتشافه لأول مرة في عام 2013، نفس التأثير باستخدام مادة ممغنطة. لا يزال التكميم يحدث وتختفي المقاومة الطولية، وتتسارع الإلكترونات على طول الحافة دون تبديد الطاقة، مثل الموصل الفائق إلى حد ما. على الأقل هذا هو المفهوم الشائع. "إن الصورة التي يتدفق فيها التيار على طول الحواف يمكن أن تشرح بشكل جيد كيف تحصل على هذا التكميم. لكن اتضح أنها ليست الصورة الوحيدة التي يمكن أن تفسر التكميم. "لقد كانت هذه الصورة المتطورة هي السائدة حقًا منذ الصعود المذهل للعوازل الطوبولوجية التي بدأت في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. لقد تم نسيان تعقيدات الفولتية المحلية والتيارات المحلية إلى حد كبير. في الواقع، يمكن أن تكون هذه الأمور أكثر تعقيدًا بكثير مما توحي به الصورة الحافة. من المعروف أن عددًا قليلًا فقط من المواد هي عوازل هول الشاذة الكمومية. في عملهم الجديد، ركزت مجموعة نوفاك على تيلوريد الأنتيمون البزموت المشوب بالكروم، وهو نفس المركب الذي لوحظ فيه تأثير هول الكمي الشاذ لأول مرة قبل عقد من الزمن. تمت زراعة العينة بواسطة متعاونين بقيادة أستاذ الفيزياء نيتين سامارث في جامعة ولاية بنسلفانيا. لمسح المادة، استخدم نوفاك وفيرغسون جهاز التداخل الكمي فائق التوصيل في مختبرهما، أو SQUID، وهو جهاز استشعار حساس للغاية للمجال المغناطيسي يمكنه العمل في درجات حرارة منخفضة للكشف عن المجالات المغناطيسية الصغيرة للغاية. يقوم SQUID بتصوير تدفقات التيار بشكل فعال - وهو ما يولد المجال المغناطيسي - ويتم دمج الصور لإعادة بناء كثافة التيار. وقال نواك: "إن التيارات التي ندرسها صغيرة جدًا جدًا، لذا فهو قياس صعب". "وكنا بحاجة إلى خفض درجة الحرارة إلى أقل من درجة كلفن واحدة للحصول على تقدير كمي جيد للعينة. أنا فخور بأننا نجحنا في تحقيق ذلك”. وعندما لاحظ الباحثون أن الإلكترونات تتدفق في الجزء الأكبر من المادة، وليس عند الحواف الحدودية، بدأوا في البحث في الدراسات القديمة. ووجدوا أنه في السنوات التي تلت الاكتشاف الأصلي لتأثير هول الكمي في عام 1980، كان هناك الكثير من الجدل حول مكان حدوث التدفق، وهو جدل غير معروف لمعظم علماء المواد الشباب، كما قال نواك. "آمل أن يأخذ الجيل الجديد الذي يعمل على المواد الطوبولوجية علماً بهذا العمل ويعيد فتح النقاش. ومن الواضح أننا لا نفهم حتى بعض الجوانب الأساسية لما يحدث في المواد الطوبولوجية. "إذا لم نفهم كيف يتدفق التيار، فماذا نفهم فعليًا عن هذه المواد؟" قد تكون الإجابة على هذه الأسئلة ذات صلة أيضًا ببناء أجهزة أكثر تعقيدًا، مثل التقنيات الهجينة التي تربط موصلًا فائقًا بعازل هول الكمي الشاذ لإنتاج حالات أكثر غرابة للمادة. "أشعر بالفضول لاستكشاف ما إذا كان ما نلاحظه ينطبق على أنظمة المواد المختلفة. وقال نواك: "قد يكون من الممكن أن يتدفق التيار في بعض المواد، ولكن بشكل مختلف". "بالنسبة لي، هذا يسلط الضوء على جمال المواد الطوبولوجية - فسلوكها في القياس الكهربائي تمليه مبادئ عامة جدًا، مستقلة عن التفاصيل المجهرية. ومع ذلك، من المهم أن نفهم ما يحدث على المستوى المجهري، سواء بالنسبة لفهمنا الأساسي أو للتطبيقات.

الطابع الزمني:

اكثر من نانوويرك