Virta kulkee yllättävän polun kvanttimateriaalissa

Virta kulkee yllättävän polun kvanttimateriaalissa

Aikaleima: 3. elokuuta 2023 12
Lähdesolmu: 2801583
03. elokuuta 2023 (Nanowerk-uutiset) Cornellin tutkijat käyttivät magneettikuvausta saadakseen ensimmäisen suoran visualisoinnin siitä, kuinka elektronit virtaavat tietyntyyppisessä eristimessä, ja näin he havaitsivat, että kuljetusvirta liikkuu materiaalin sisäosien läpi eikä reunoilla, kuten tutkijat olivat tehneet. pitkään oletettu. Löytö tarjoaa uusia näkemyksiä elektronien käyttäytymisestä niin sanotuissa kvanttipoikkeavissa Hall-eristimissä ja sen pitäisi auttaa ratkaisemaan vuosikymmeniä kestäneen keskustelun siitä, kuinka virta kulkee yleisemmissä kvantti Hall-eristimissä. Nämä oivallukset auttavat kehittämään topologisia materiaaleja seuraavan sukupolven kvanttilaitteille. Joukkueen paperi julkaistiin v Luonto Materiaalit ("Elektronisen liikenteen suora visualisointi kvanttipoikkeavassa salieristimessä"). Pääkirjailija on Matt Ferguson, Ph.D. '22, tällä hetkellä tutkijatohtori Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids of Solidsissa Saksassa. Taideteollisen korkeakoulun fysiikan apulaisprofessori ja lehden vanhempi kirjoittaja Katja Nowack vetää projektia, joka juontaa juurensa niin sanotusta kvanttihalli-ilmiöstä. Ensimmäinen vuonna 1980 löydetty vaikutus syntyy, kun tiettyyn materiaaliin kohdistetaan magneettikenttä epätavallisen ilmiön laukaisemiseksi: bulkkinäytteen sisäosasta tulee eriste, kun taas sähkövirta liikkuu yhteen suuntaan ulkoreunaa pitkin. Resistanssit kvantisoidaan tai rajoitetaan perusuniversaalivakion määrittelemään arvoon ja ne putoavat nollaan. Kvanttipoikkeava Hall-eriste, joka löydettiin ensimmäisen kerran vuonna 2013, saavuttaa saman vaikutuksen käyttämällä materiaalia, joka on magnetoitu. Kvantisaatiota tapahtuu edelleen ja pitkittäisvastus katoaa, ja elektronit kiihtyvät reunaa pitkin hukkaamatta energiaa, jonkin verran suprajohteen tavoin. Ainakin tämä on yleinen käsitys. ”Kuva, jossa virta kulkee reunoja pitkin, voi todella hienosti selittää kuinka saat tuon kvantisoinnin. Mutta käy ilmi, että se ei ole ainoa kuva, joka voi selittää kvantisoinnin”, Nowack sanoi. ”Tämä reunakuva on todellakin ollut hallitseva siitä lähtien, kun topologisten eristeiden näyttävä nousu 2000-luvun alussa alkoi. Paikallisten jännitteiden ja paikallisvirtojen monimutkaisuus on suurelta osin unohdettu. Todellisuudessa nämä voivat olla paljon monimutkaisempia kuin reunakuva antaa ymmärtää." Vain kourallinen materiaaleja tiedetään olevan kvanttipoikkeavia Hall-eristeitä. Uudessa työssään Nowackin ryhmä keskittyi kromilla seostettuun vismuttiantimonitelluridiin – samaan yhdisteeseen, jossa kvanttipoikkeava Hall-ilmiö havaittiin ensimmäisen kerran kymmenen vuotta sitten. Näytteen kasvattivat Pennsylvanian osavaltion yliopiston fysiikan professori Nitin Samarthin johtamat yhteistyökumppanit. Materiaalin skannaamiseen Nowack ja Ferguson käyttivät laboratorionsa suprajohtavaa kvanttihäiriölaitetta tai SQUIDia, erittäin herkkää magneettikenttäanturia, joka voi toimia matalissa lämpötiloissa havaitsemaan pelottavan pieniä magneettikenttiä. SQUID kuvaa tehokkaasti virtaukset – jotka synnyttävät magneettikentän – ja kuvat yhdistetään virrantiheyden rekonstruoimiseksi. "Tutkimamme virtaukset ovat todella, todella pieniä, joten se on vaikea mittaus", Nowack sanoi. "Ja meidän piti mennä alle yhden kelvinin lämpötilan saadaksemme hyvän kvantisoinnin näytteestä. Olen ylpeä siitä, että onnistuimme siinä." Kun tutkijat huomasivat elektronit virtaavan suurimmassa osassa materiaalia, eivät rajareunoilla, he alkoivat kaivaa vanhoja tutkimuksia läpi. He havaitsivat, että kvantti Hall-ilmiön alkuperäisen löydön jälkeisinä vuosina vuonna 1980 käytiin paljon keskustelua siitä, missä virtaus tapahtui - kiista, jota useimmat nuoremmat materiaalitutkijat eivät tunne, Nowack sanoi. ”Toivon, että topologisten materiaalien parissa työskentelevä uusi sukupolvi huomioi tämän työn ja avaa keskustelun uudelleen. On selvää, että emme edes ymmärrä joitakin hyvin perustavanlaatuisia puolia siitä, mitä topologisissa materiaaleissa tapahtuu”, hän sanoi. "Jos emme ymmärrä, miten virta kulkee, mitä me oikeastaan ​​ymmärrämme näistä materiaaleista?" Näihin kysymyksiin vastaaminen saattaa myös olla merkityksellistä rakennettaessa monimutkaisempia laitteita, kuten hybriditekniikoita, jotka yhdistävät suprajohteen kvanttipoikkeavaan Hall-eristimeen tuottamaan entistä eksoottisempia aineita. ”Olen utelias tutkimaan, pitääkö havaitsemamme paikkansa eri materiaalijärjestelmissä. Saattaa olla mahdollista, että joissakin materiaaleissa virta kulkee, mutta eri tavalla", Nowack sanoi. ”Minulle tämä korostaa topologisten materiaalien kauneutta – niiden käyttäytymistä sähkömittauksessa sanelevat hyvin yleiset, mikroskooppisista yksityiskohdista riippumattomat periaatteet. Siitä huolimatta on ratkaisevan tärkeää ymmärtää, mitä tapahtuu mikroskooppisessa mittakaavassa, sekä perusymmärryksemme että sovellusten kannalta.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Nanowerk