ปัจจุบันมีเส้นทางที่น่าประหลาดใจในวัสดุควอนตัม

ปัจจุบันมีเส้นทางที่น่าประหลาดใจในวัสดุควอนตัม

ประทับเวลา: 3 สิงหาคม 2023 12:10 น.
โหนดต้นทาง: 2801583
03 ส.ค. 2023 (ข่าวนาโนเวิร์ค) นักวิจัยของ Cornell ใช้การถ่ายภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กเพื่อให้ได้ภาพโดยตรงเป็นครั้งแรกว่าอิเล็กตรอนไหลอย่างไรในฉนวนชนิดพิเศษ และโดยการทำเช่นนั้น พวกเขาค้นพบว่ากระแสการขนส่งเคลื่อนที่ผ่านด้านในของวัสดุ แทนที่จะไปที่ขอบ ตามที่นักวิทยาศาสตร์เคยทำ สันนิษฐานมานานแล้ว การค้นพบนี้ให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในตัวฉนวนฮอลล์ควอนตัมผิดปกติที่เรียกว่าควอนตัมและน่าจะช่วยยุติข้อถกเถียงที่ยาวนานหลายทศวรรษเกี่ยวกับการไหลของกระแสในฉนวนควอนตัมฮอลล์ทั่วไปมากขึ้น ข้อมูลเชิงลึกเหล่านี้จะแจ้งการพัฒนาวัสดุทอพอโลยีสำหรับอุปกรณ์ควอนตัมรุ่นต่อไป บทความของทีมตีพิมพ์ใน วัสดุธรรมชาติ (“Direct Visualization of Electronic Transport in a Quantum Anomalous Hall Insulator”). ผู้เขียนนำคือ Matt Ferguson, Ph.D. '22 ปัจจุบันเป็นนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่สถาบัน Max Planck สำหรับฟิสิกส์เคมีของของแข็งในประเทศเยอรมนี โครงการนี้นำโดย Katja Nowack ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ในวิทยาลัยศิลปศาสตร์และวิทยาศาสตร์และผู้เขียนอาวุโสของหนังสือพิมพ์ มีต้นกำเนิดในสิ่งที่เรียกว่าเอฟเฟกต์ควอนตัมฮอลล์ ค้นพบครั้งแรกในปี 1980 ผลกระทบนี้เกิดขึ้นเมื่อสนามแม่เหล็กถูกนำไปใช้กับวัสดุเฉพาะเพื่อกระตุ้นให้เกิดปรากฏการณ์ที่ผิดปกติ: ภายในของตัวอย่างจำนวนมากจะกลายเป็นฉนวนในขณะที่กระแสไฟฟ้าเคลื่อนที่ในทิศทางเดียวตามขอบด้านนอก ความต้านทานจะถูกหาปริมาณหรือจำกัดไว้ที่ค่าที่กำหนดโดยค่าคงที่สากลพื้นฐานและลดลงเหลือศูนย์ ฉนวนฮอลล์ที่มีความผิดปกติของควอนตัมซึ่งค้นพบครั้งแรกในปี 2013 บรรลุผลเช่นเดียวกันโดยใช้วัสดุที่ถูกทำให้เป็นแม่เหล็ก การหาปริมาณยังคงเกิดขึ้นและความต้านทานตามยาวหายไป และอิเล็กตรอนก็เร่งความเร็วไปตามขอบโดยไม่กระจายพลังงาน คล้ายกับตัวนำยิ่งยวด อย่างน้อยนั่นคือแนวคิดที่เป็นที่นิยม “ภาพที่กระแสน้ำไหลไปตามขอบสามารถอธิบายได้ดีมากว่าทำไมคุณถึงได้ปริมาณนั้นมา แต่ปรากฎว่า ไม่ใช่เพียงภาพเดียวที่สามารถอธิบายการวัดปริมาณได้” Nowack กล่าว “ภาพขอบนี้เป็นภาพที่โดดเด่นจริงๆ นับตั้งแต่การเพิ่มขึ้นอย่างน่าทึ่งของฉนวนทอพอโลยีที่เริ่มต้นในต้นปี 2000 ความซับซ้อนของแรงดันไฟฟ้าและกระแสในท้องถิ่นส่วนใหญ่ถูกลืมไปแล้ว ในความเป็นจริงสิ่งเหล่านี้อาจซับซ้อนกว่าภาพขอบที่แนะนำมาก” มีวัสดุเพียงไม่กี่ชนิดเท่านั้นที่ทราบกันว่าเป็นฉนวนฮอลล์ที่มีความผิดปกติของควอนตัม สำหรับงานใหม่ของพวกเขา กลุ่มของ Nowack มุ่งเน้นไปที่บิสมัทพลวงเทลลูไรด์ที่เจือด้วยโครเมียม ซึ่งเป็นสารประกอบเดียวกับที่ปรากฏการณ์ฮอลล์ผิดปกติของควอนตัมถูกพบครั้งแรกเมื่อทศวรรษที่แล้ว ตัวอย่างนี้ปลูกโดยผู้ร่วมมือซึ่งนำโดยศาสตราจารย์ฟิสิกส์ Nitin Samarth จากมหาวิทยาลัยแห่งรัฐเพนซิลวาเนีย ในการสแกนวัสดุ โนแวคและเฟอร์กูสันใช้อุปกรณ์รบกวนควอนตัมตัวนำยิ่งยวดของห้องปฏิบัติการหรือ SQUID ซึ่งเป็นเซ็นเซอร์สนามแม่เหล็กที่มีความไวสูงอย่างยิ่งซึ่งสามารถทำงานที่อุณหภูมิต่ำเพื่อตรวจจับสนามแม่เหล็กขนาดเล็กที่น่าตกใจ SQUID ถ่ายภาพการไหลของกระแสได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งเป็นสิ่งที่สร้างสนามแม่เหล็ก และภาพต่างๆ จะถูกรวมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างความหนาแน่นของกระแสขึ้นมาใหม่ “กระแสน้ำที่เรากำลังศึกษามีขนาดเล็กมาก ดังนั้นจึงเป็นการวัดที่ยาก” Nowack กล่าว “และเราจำเป็นต้องมีอุณหภูมิต่ำกว่าหนึ่งเคลวินเพื่อให้ได้ปริมาณที่ดีในตัวอย่าง ฉันภูมิใจที่เราดึงสิ่งนั้นออกมา” เมื่อนักวิจัยสังเกตเห็นอิเล็กตรอนที่ไหลอยู่ในวัสดุจำนวนมาก ไม่ใช่ที่ขอบ พวกเขาก็เริ่มศึกษาการศึกษาเก่าๆ พวกเขาพบว่าในช่วงหลายปีหลังจากการค้นพบเอฟเฟกต์ควอนตัมฮอลล์ครั้งแรกในปี 1980 มีการถกเถียงกันมากมายว่ากระแสเกิดขึ้นที่ใด ซึ่งเป็นข้อโต้แย้งที่นักวิทยาศาสตร์อายุน้อยส่วนใหญ่ไม่รู้จัก Nowack กล่าว “ฉันหวังว่าคนรุ่นใหม่ที่ทำงานเกี่ยวกับวัสดุทอพอโลยีจะรับทราบงานนี้และเปิดการอภิปรายอีกครั้ง เห็นได้ชัดว่าเราไม่เข้าใจแง่มุมพื้นฐานบางประการของสิ่งที่เกิดขึ้นในวัสดุทอพอโลยี” เธอกล่าว “ถ้าเราไม่เข้าใจว่ากระแสน้ำไหลอย่างไร แล้วจริงๆ แล้วเราจะเข้าใจอะไรเกี่ยวกับวัสดุเหล่านี้ได้บ้าง” การตอบคำถามเหล่านี้อาจเกี่ยวข้องกับการสร้างอุปกรณ์ที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น เทคโนโลยีไฮบริดที่จับคู่ตัวนำยิ่งยวดเข้ากับฉนวนฮอลล์ที่มีความผิดปกติของควอนตัมเพื่อสร้างสถานะที่แปลกใหม่ของสสารมากยิ่งขึ้น “ฉันอยากจะสำรวจว่าสิ่งที่เราสังเกตเห็นเป็นจริงในระบบวัสดุต่างๆ หรือไม่ อาจเป็นไปได้ว่ากระแสน้ำไหลในวัสดุบางชนิดแต่กลับแตกต่างออกไป” โนแวคกล่าว “สำหรับฉัน สิ่งนี้เน้นให้เห็นถึงความสวยงามของวัสดุทอพอโลยี – พฤติกรรมของพวกมันในการวัดทางไฟฟ้าถูกกำหนดโดยหลักการทั่วไป โดยไม่ขึ้นกับรายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ อย่างไรก็ตาม การทำความเข้าใจสิ่งที่เกิดขึ้นในระดับจุลทรรศน์เป็นสิ่งสำคัญ ทั้งเพื่อความเข้าใจพื้นฐานและการประยุกต์ของเรา

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก นาโนเวิร์ค