Tok ubere presenetljivo pot v kvantnem materialu

Tok ubere presenetljivo pot v kvantnem materialu

Časovni žig: 3. avgust 2023 12
Izvorno vozlišče: 2801583
03. avgust 2023 (Nanowerk novice) Cornellovi raziskovalci so uporabili magnetno slikanje, da bi dobili prvo neposredno vizualizacijo, kako elektroni tečejo v posebni vrsti izolatorja, in s tem so odkrili, da se transportni tok premika skozi notranjost materiala in ne na robovih, kot so znanstveniki dolgo domnevno. Ugotovitev zagotavlja nov vpogled v obnašanje elektronov v tako imenovanih kvantno anomalnih Hallovih izolatorjih in bi morala pomagati rešiti desetletja dolgo razpravo o tem, kako tok teče v bolj splošnih kvantnih Hallovih izolatorjih. Ti vpogledi bodo prispevali k razvoju topoloških materialov za kvantne naprave naslednje generacije. Članek ekipe, objavljen v Nature Materials ("Neposredna vizualizacija elektronskega transporta v kvantnem anomalnem Hallovem izolatorju"). Glavni avtor je Matt Ferguson, dr. '22, trenutno podoktorski raziskovalec na Inštitutu Maxa Plancka za kemijsko fiziko trdnih snovi v Nemčiji. Projekt, ki ga vodi Katja Nowack, docentka za fiziko na Visoki šoli za umetnost in znanost ter višja avtorica časopisa, izvira iz tako imenovanega kvantnega Hallovega učinka. Ta učinek, ki so ga prvič odkrili leta 1980, nastane, ko se na določen material uporabi magnetno polje, ki sproži nenavaden pojav: notranjost vzorca postane izolator, medtem ko se električni tok premika v eni smeri vzdolž zunanjega roba. Upori so kvantizirani ali omejeni na vrednost, ki jo določa osnovna univerzalna konstanta, in padejo na nič. Kvantni anomalični Hallov izolator, ki so ga prvič odkrili leta 2013, doseže enak učinek z uporabo materiala, ki je magnetiziran. Še vedno pride do kvantizacije in vzdolžni upor izgine, elektroni pa se pospešijo vzdolž roba brez razpršitve energije, podobno kot superprevodnik. Vsaj tako je priljubljeno pojmovanje. »Slika, kjer tok teče vzdolž robov, lahko res lepo razloži, kako dobite to kvantizacijo. Vendar se je izkazalo, da to ni edina slika, ki lahko pojasni kvantizacijo,« je dejal Nowack. »Ta robna slika je bila res prevladujoča od spektakularnega vzpona topoloških izolatorjev, ki se je začel v zgodnjih 2000-ih. Zapletenost lokalnih napetosti in lokalnih tokov je bila večinoma pozabljena. V resnici so te lahko veliko bolj zapletene, kot kaže robna slika.« Le peščica materialov je znanih kot kvantni anomalni Hallovi izolatorji. Za svoje novo delo se je Nowackova skupina osredotočila na s kromom dopiran bizmutov antimonov telurid – isto spojino, v kateri so pred desetletjem prvič opazili kvantni anomalični Hallov učinek. Vzorec so vzgojili sodelavci, ki jih je vodil profesor fizike Nitin Samarth na državni univerzi Pennsylvania. Za skeniranje materiala sta Nowack in Ferguson uporabila svojo laboratorijsko napravo za superprevodno kvantno interferenco ali SQUID, izjemno občutljiv senzor magnetnega polja, ki lahko deluje pri nizkih temperaturah in zazna zastrašujoče majhna magnetna polja. SQUID učinkovito slika tokovne tokove – ki ustvarjajo magnetno polje – in slike se združijo za rekonstrukcijo gostote toka. "Tokovi, ki jih proučujemo, so res zelo majhni, zato je to težko merjenje," je dejal Nowack. »In temperaturo smo morali znižati pod en Kelvin, da bi dobili dobro kvantizacijo vzorca. Ponosen sem, da nam je to uspelo.” Ko so raziskovalci opazili, da elektroni tečejo v glavnini materiala, ne na mejnih robovih, so začeli kopati po starih študijah. Ugotovili so, da je bilo v letih po prvotnem odkritju kvantnega Hallovega učinka leta 1980 veliko razprav o tem, kje je tok nastal – polemika, ki je večina mlajših znanstvenikov o materialih ne pozna, je dejal Nowack. "Upam, da bo novejša generacija, ki se ukvarja s topološkimi materiali, upoštevala to delo in ponovno odprla razpravo. Jasno je, da ne razumemo niti nekaterih zelo temeljnih vidikov dogajanja v topoloških materialih,« je dejala. "Če ne razumemo, kako teče tok, kaj pravzaprav razumemo o teh materialih?" Odgovori na ta vprašanja bi lahko bili pomembni tudi za gradnjo bolj zapletenih naprav, kot so hibridne tehnologije, ki povezujejo superprevodnik s kvantno nenormalnim Hallovim izolatorjem, da proizvedejo še bolj eksotična stanja snovi. »Zanima me raziskovanje, ali to, kar opažamo, drži v različnih materialnih sistemih. Mogoče je, da v nekaterih materialih tok teče, vendar drugače,« je dejal Nowack. »Zame to poudarja lepoto topoloških materialov – njihovo obnašanje pri električni meritvi narekujejo zelo splošna načela, neodvisna od mikroskopskih podrobnosti. Kljub temu je ključnega pomena razumeti, kaj se dogaja na mikroskopskem merilu, tako za naše temeljno razumevanje kot za aplikacije.

Časovni žig:

Več od Nanowerk