Arus mengambil jalur yang mengejutkan dalam materi kuantum

Arus mengambil jalur yang mengejutkan dalam materi kuantum

Stempel Waktu: 3 Agustus 2023 12:10
Node Sumber: 2801583
03 Agustus 2023 (Berita Nanowerk) Peneliti Cornell menggunakan pencitraan magnetik untuk mendapatkan visualisasi langsung pertama tentang bagaimana elektron mengalir dalam jenis isolator khusus, dan dengan melakukan hal tersebut mereka menemukan bahwa arus transpor bergerak melalui bagian dalam material, bukan di tepinya, seperti yang dilakukan para ilmuwan. diasumsikan lama. Temuan ini memberikan wawasan baru mengenai perilaku elektron dalam apa yang disebut isolator Hall anomali kuantum dan akan membantu menyelesaikan perdebatan selama puluhan tahun tentang bagaimana arus mengalir dalam isolator Hall kuantum yang lebih umum. Wawasan ini akan menginformasikan pengembangan material topologi untuk perangkat kuantum generasi berikutnya. Makalah tim diterbitkan di Bahan Alam (“Direct Visualization of Electronic Transport in a Quantum Anomalous Hall Insulator”). Penulis utamanya adalah Matt Ferguson, Ph.D. '22, saat ini menjadi peneliti pascadoktoral di Institut Max Planck untuk Fisika Kimia Padatan di Jerman. Proyek yang dipimpin oleh Katja Nowack, asisten profesor fisika di Fakultas Seni dan Sains dan penulis senior makalah tersebut, berawal dari apa yang dikenal sebagai efek Hall kuantum. Pertama kali ditemukan pada tahun 1980, efek ini terjadi ketika medan magnet diterapkan pada bahan tertentu untuk memicu fenomena yang tidak biasa: Bagian dalam sampel massal menjadi isolator sementara arus listrik bergerak dalam satu arah di sepanjang tepi luar. Resistansi dikuantisasi, atau dibatasi, ke nilai yang ditentukan oleh konstanta universal fundamental dan turun ke nol. Insulator Hall anomali kuantum, pertama kali ditemukan pada tahun 2013, mencapai efek yang sama dengan menggunakan bahan yang dimagnetisasi. Kuantisasi masih terjadi dan hambatan longitudinal menghilang, dan kecepatan elektron di sepanjang tepinya tanpa menghilangkan energi, seperti superkonduktor. Setidaknya itulah konsepsi populer. “Gambaran di mana arus mengalir di sepanjang tepinya dapat menjelaskan dengan baik bagaimana Anda mendapatkan kuantisasi tersebut. Namun ternyata, itu bukan satu-satunya gambaran yang bisa menjelaskan kuantisasi,” kata Nowack. “Gambaran tepi ini benar-benar menjadi yang dominan sejak munculnya isolator topologi secara spektakuler yang dimulai pada awal tahun 2000an. Seluk-beluk tegangan lokal dan arus lokal sebagian besar telah dilupakan. Kenyataannya, hal ini bisa jauh lebih rumit daripada gambaran yang ada.” Hanya segelintir bahan yang diketahui sebagai isolator Hall anomali kuantum. Untuk penelitian baru mereka, kelompok Nowack berfokus pada bismut antimon tellurida yang didoping kromium – senyawa yang sama dengan efek Hall anomali kuantum yang pertama kali diamati satu dekade lalu. Sampel tersebut dikembangkan oleh kolaborator yang dipimpin oleh profesor fisika Nitin Samarth di Pennsylvania State University. Untuk memindai material tersebut, Nowack dan Ferguson menggunakan perangkat interferensi kuantum superkonduktor di laboratorium mereka, atau SQUID, sebuah sensor medan magnet yang sangat sensitif yang dapat beroperasi pada suhu rendah untuk mendeteksi medan magnet yang sangat kecil. SQUID secara efektif menggambarkan aliran arus – yang menghasilkan medan magnet – dan gambar-gambar tersebut digabungkan untuk merekonstruksi kepadatan arus. “Arus yang kami pelajari benar-benar kecil, sehingga pengukurannya sulit,” kata Nowack. “Dan kami perlu menurunkan suhu di bawah satu Kelvin untuk mendapatkan kuantisasi sampel yang baik. Saya bangga kami berhasil mencapainya.” Ketika para peneliti memperhatikan elektron mengalir di sebagian besar material, bukan di tepi batas, mereka mulai menggali penelitian lama. Mereka menemukan bahwa pada tahun-tahun setelah penemuan awal efek kuantum Hall pada tahun 1980, terdapat banyak perdebatan tentang di mana aliran tersebut terjadi – sebuah kontroversi yang tidak diketahui oleh sebagian besar ilmuwan material muda, kata Nowack. “Saya berharap generasi baru yang mengerjakan material topologi memperhatikan pekerjaan ini dan membuka kembali perdebatan. Jelas bahwa kita bahkan tidak memahami beberapa aspek mendasar dari apa yang terjadi pada material topologi,” katanya. “Jika kita tidak memahami bagaimana arus mengalir, apa yang sebenarnya kita pahami tentang material ini?” Menjawab pertanyaan-pertanyaan tersebut mungkin juga relevan untuk membangun perangkat yang lebih rumit, seperti teknologi hibrida yang memasangkan superkonduktor ke isolator Hall anomali kuantum untuk menghasilkan materi yang lebih eksotik. “Saya penasaran untuk menyelidiki apakah apa yang kami amati berlaku di berbagai sistem material yang berbeda. Mungkin saja pada beberapa material, arusnya mengalir, namun berbeda,” kata Nowack. “Bagi saya, hal ini menyoroti keindahan material topologi – perilakunya dalam pengukuran listrik ditentukan oleh prinsip yang sangat umum, tidak bergantung pada detail mikroskopis. Namun demikian, penting untuk memahami apa yang terjadi pada skala mikroskopis, baik untuk pemahaman mendasar maupun penerapannya.

Stempel Waktu:

Lebih dari Nanowerk