Prąd w materiale kwantowym podąża zaskakującą ścieżką

Prąd w materiale kwantowym podąża zaskakującą ścieżką

Znacznik czasu: 3 sierpnia 2023 12:10
Węzeł źródłowy: 2801583
03 sierpnia 2023 (Wiadomości Nanowerk) Badacze z Cornell wykorzystali obrazowanie magnetyczne do uzyskania pierwszej bezpośredniej wizualizacji przepływu elektronów w specjalnym typie izolatora i w ten sposób odkryli, że prąd transportowy przepływa przez wnętrze materiału, a nie po krawędziach, jak to zrobili naukowcy długo zakładano. Odkrycie dostarcza nowych informacji na temat zachowania elektronów w tak zwanych kwantowych anomalnych izolatorach Halla i powinno pomóc w rozstrzygnięciu trwającej od kilkudziesięciu lat debaty na temat przepływu prądu w bardziej ogólnych kwantowych izolatorach Halla. Odkrycia te posłużą do opracowania materiałów topologicznych dla urządzeń kwantowych nowej generacji. Artykuł zespołu opublikowany w Materiały przyrodnicze („Bezpośrednia wizualizacja transportu elektronicznego w kwantowym izolatorze anomalnym Halla”). Głównym autorem jest dr Matt Ferguson. '22, obecnie pracownik naukowy ze stopniem doktora w Instytucie Maxa Plancka Fizyki Chemicznej Ciała Stałego w Niemczech. Projekt, kierowany przez Katję Nowack, adiunkta fizyki w College of Arts and Sciences i główną autorkę artykułu, ma swoje korzenie w tak zwanym kwantowym efekcie Halla. Efekt ten, odkryty po raz pierwszy w 1980 r., powstaje, gdy do określonego materiału przykłada się pole magnetyczne, co powoduje niezwykłe zjawisko: wnętrze próbki objętościowej staje się izolatorem, podczas gdy prąd elektryczny przepływa w jednym kierunku wzdłuż zewnętrznej krawędzi. Rezystancje są kwantowane lub ograniczane do wartości określonej przez podstawową stałą uniwersalną i spadają do zera. Kwantowy anomalny izolator Halla, odkryty po raz pierwszy w 2013 roku, osiąga ten sam efekt dzięki zastosowaniu namagnesowanego materiału. Kwantyzacja nadal zachodzi, zanika opór podłużny, a elektrony pędzą wzdłuż krawędzi, nie rozpraszając energii, trochę jak nadprzewodnik. Przynajmniej taka jest popularna koncepcja. „Obraz, na którym prąd płynie wzdłuż krawędzi, może naprawdę dobrze wyjaśnić, w jaki sposób uzyskuje się tę kwantyzację. Okazuje się jednak, że nie jest to jedyny obraz, który może wyjaśnić kwantyzację” – powiedział Nowack. „Ten obraz krawędzi jest naprawdę dominujący od czasu spektakularnego wzrostu liczby izolatorów topologicznych, który rozpoczął się na początku XXI wieku. Zawiłości związane z lokalnymi napięciami i lokalnymi prądami zostały w dużej mierze zapomniane. W rzeczywistości mogą one być znacznie bardziej skomplikowane, niż sugeruje to zdjęcie krawędzi”. Wiadomo, że tylko kilka materiałów to anomalne kwantowe izolatory Halla. W swojej nowej pracy grupa Nowacka skupiła się na tellurku bizmutu i antymonu domieszkowanym chromem – tym samym związku, w którym dziesięć lat temu po raz pierwszy zaobserwowano kwantowy anomalny efekt Halla. Próbkę wyhodowali współpracownicy pod przewodnictwem profesora fizyki Nitina Samartha z Pennsylvania State University. Do skanowania materiału Nowack i Ferguson wykorzystali znajdujące się w swoim laboratorium nadprzewodzące urządzenie do interferencji kwantowej, czyli SQUID, niezwykle czuły czujnik pola magnetycznego, który może działać w niskich temperaturach i wykrywać zniechęcająco małe pola magnetyczne. SQUID skutecznie obrazuje przepływy prądu – które generują pole magnetyczne – a obrazy są łączone w celu rekonstrukcji gęstości prądu. „Prądy, które badamy, są naprawdę małe, dlatego jest to trudny pomiar” – powiedział Nowack. „Musieliśmy obniżyć temperaturę poniżej jednego Kelvina, aby uzyskać dobrą kwantyzację próbki. Jestem dumny, że nam się to udało.” Kiedy badacze zauważyli, że elektrony przepływają w większości materiału, a nie na krawędziach granicznych, zaczęli przeglądać stare badania. Odkryli, że w latach następujących po pierwotnym odkryciu kwantowego efektu Halla w 1980 r. toczyło się wiele dyskusji na temat tego, gdzie następuje przepływ – kontrowersji nieznanej większości młodszych badaczy materiałów, powiedział Nowack. „Mam nadzieję, że nowsze pokolenie pracujące nad materiałami topologicznymi odnotuje tę pracę i ponownie otworzy debatę. Jasne jest, że nie rozumiemy nawet bardzo podstawowych aspektów tego, co dzieje się w materiałach topologicznych” – stwierdziła. „Jeśli nie rozumiemy, jak płynie prąd, co tak naprawdę rozumiemy o tych materiałach?” Odpowiedź na te pytania może być również istotna przy budowie bardziej skomplikowanych urządzeń, takich jak technologie hybrydowe, które łączą nadprzewodnik z kwantowym anomalnym izolatorem Halla, aby wytworzyć jeszcze bardziej egzotyczne stany materii. „Jestem ciekawy, czy to, co obserwujemy, sprawdza się w przypadku różnych systemów materialnych. Możliwe, że w niektórych materiałach prąd płynie, ale inaczej” – powiedział Nowack. „Dla mnie podkreśla to piękno materiałów topologicznych – ich zachowanie w pomiarach elektrycznych jest podyktowane bardzo ogólnymi zasadami, niezależnymi od mikroskopijnych szczegółów. Niemniej jednak niezwykle istotne jest zrozumienie tego, co dzieje się w skali mikroskopowej, zarówno dla naszego podstawowego zrozumienia, jak i zastosowań.

Znak czasu:

Więcej z Nanowerk