Φύση: νέα μορφή κβαντικής ύλης που ανακαλύφθηκε σε τοπολογικούς κρυστάλλους
Εικόνα: Προσομοιώσεις δεδομένων STM που προετοιμάστηκαν στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον / phys.org
Οι φυσικοί στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον ανακάλυψαν ένα νέο κβαντικό φαινόμενο, που ονομάζεται υβριδική τοπολογία, σε στερεό κρύσταλλο. Τα αποτελέσματα της μελέτης, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature, ανοίγουν νέες ευκαιρίες για την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών και υλικών για κβαντικά πειράματα.
Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι ένας στερεός κρύσταλλος από άτομα αρσενικού (As) παρουσιάζει μια τοπολογική κβαντική συμπεριφορά που δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ. Αυτή η κβαντική κατάσταση παρατηρήθηκε χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας (STM) και φασματοσκοπία φωτοεκπομπής, που μετρά τη σχετική ενέργεια των ηλεκτρονίων σε μόρια και άτομα.
Αυτή η κατάσταση συνδυάζει ή «υβριδοποιεί» δύο μορφές τοπολογικής κβαντικής συμπεριφοράς - καταστάσεις ακμών και επιφανειακές καταστάσεις - οι οποίες είναι δύο τύποι κβαντικών δισδιάστατων ηλεκτρονικών συστημάτων. Είχαν παρατηρηθεί προηγουμένως σε προηγούμενα πειράματα, αλλά ποτέ ταυτόχρονα στο ίδιο υλικό, όπου θα αναμειγνύονταν για να σχηματίσουν μια νέα κατάσταση ύλης.
Τοπολογικός μονωτήρας είναι ένα υλικό που είναι μονωτής στον όγκο του αλλά μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα σε όλη την επιφάνειά του. Ωστόσο, για να χρησιμοποιηθούν αυτοί οι μονωτές για πρακτικές εφαρμογές, τα κβαντικά τοπολογικά φαινόμενα πρέπει να συμβαίνουν σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Επιπλέον, είναι απαραίτητο να βρεθούν απλά υλικά που μπορούν να υποστηρίξουν τοπολογικά φαινόμενα.
Οι συγγραφείς πιστεύουν ότι το αρσενικό, με τη μοναδική του τοπολογία, θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως πλατφόρμα για την ανάπτυξη νέων τοπολογικών υλικών και κβαντικών συσκευών που δεν μπορούν επί του παρόντος να δημιουργηθούν χρησιμοποιώντας υπάρχουσες πλατφόρμες.
==========
Οι φυσικοί ανακάλυψαν μια νέα κβαντική κατάσταση σε ένα στοιχειώδες στερεό
10 Απριλίου 2024
Οι φυσικοί έχουν παρατηρήσει ένα άγνωστο προηγουμένως κβαντικό φαινόμενο που ονομάζεται «υβριδική τοπολογία» σε ένα κρυσταλλικό υλικό. Αυτή η ανακάλυψη παρέχει νέες ευκαιρίες για την ανάπτυξη αποτελεσματικών υλικών και τεχνολογιών για την κβαντική επιστήμη και τεχνολογία μελλοντικής γενιάς, γράφει το Phys.org .
Η ανακάλυψη έγινε όταν οι επιστήμονες του Πρίνστον ανακάλυψαν ότι ένας στοιχειώδης στερεός κρύσταλλος που αποτελείται από άτομα αρσενικού (As) παρουσιάζει μια μορφή τοπολογικής κβαντικής συμπεριφοράς που δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ. Κατάφεραν να ανιχνεύσουν και να απεικονίσουν αυτή τη νέα κβαντική κατάσταση χρησιμοποιώντας μικροσκόπια σάρωσης σήραγγας (STM) και φασματοσκοπία φωτοεκπομπής (η τελευταία τεχνική χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της σχετικής ενέργειας των ηλεκτρονίων σε μόρια και άτομα).
Η νέα κατάσταση συνδυάζει ή «υβριδοποιεί» δύο μορφές τοπολογικής κβαντικής συμπεριφοράς - καταστάσεις ακμής και καταστάσεις επιφάνειας - οι οποίες είναι δύο τύποι κβαντικών δισδιάστατων ηλεκτρονικών συστημάτων. Είχαν παρατηρηθεί σε προηγούμενα πειράματα, αλλά ποτέ δεν είχαν εμφανιστεί ταυτόχρονα στο ίδιο υλικό, όπου αναμίχθηκαν για να σχηματίσουν μια νέα κατάσταση ύλης.
Τα τελευταία χρόνια, οι τοπολογικές καταστάσεις της ύλης έχουν προσελκύσει σημαντική προσοχή από φυσικούς και μηχανικούς. Επί του παρόντος, η μελέτη τους βρίσκεται στο κέντρο του μεγάλου διεθνούς ενδιαφέροντος. Αυτό το πεδίο μελέτης συνδυάζει την κβαντική φυσική με την τοπολογία, έναν κλάδο των θεωρητικών μαθηματικών που μελετά τις γεωμετρικές ιδιότητες που μπορούν να παραμορφωθούν αλλά όχι ουσιαστικά.
Για περισσότερο από μια δεκαετία, οι επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει τοπολογικούς μονωτές με βάση το βισμούθιο (Bi) για να επιδείξουν και να διερευνήσουν εξωτικά κβαντικά αποτελέσματα σε στερεά χύμα, κυρίως με την παραγωγή πολύπλοκων υλικών όπως η ανάμειξη του Bi με το σελήνιο (Se). Ωστόσο, αυτό το πείραμα είναι η πρώτη φορά που ανακαλύφθηκαν τοπολογικά φαινόμενα σε κρυστάλλους του στοιχείου As.
Το στοιχειώδες στερεό χρησιμεύει ως μια ανεκτίμητη πειραματική πλατφόρμα για τη δοκιμή διαφόρων εννοιών τοπολογίας. Μέχρι τώρα, το βισμούθιο ήταν το μόνο στοιχείο με πλούσια τοπολογία, που οδήγησε σε δύο δεκαετίες έντονης ερευνητικής δραστηριότητας. Αυτό οφείλεται εν μέρει στην καθαρότητα του υλικού και στην ευκολία της σύνθεσης. Ωστόσο, η τρέχουσα ανακάλυψη ακόμη πλουσιότερων τοπολογικών φαινομένων στο αρσενικό θα ανοίξει ενδεχομένως το δρόμο για νέες και βιώσιμες ερευνητικές κατευθύνσεις.
Το τοπολογικό υλικό είναι το κύριο συστατικό που χρησιμοποιείται για την εξερεύνηση των μυστηρίων της κβαντικής τοπολογίας. Αυτή η συσκευή λειτουργεί ως μονωτής μέσα της, πράγμα που σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια μέσα δεν μπορούν να κινηθούν ελεύθερα και ως εκ τούτου δεν μεταφέρουν ηλεκτρισμό. Σε αυτή την περίπτωση, τα ηλεκτρόνια στα άκρα της συσκευής μπορούν να κινούνται ελεύθερα. Επιπλέον, λόγω των ειδικών ιδιοτήτων της τοπολογίας, τα ηλεκτρόνια που ρέουν κατά μήκος των ακμών δεν εμποδίζονται από ελαττώματα ή παραμορφώσεις.
Ο Χασάν σημείωσε ότι υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για τη χρήση τοπολογικών υλικών για πρακτικές εφαρμογές. Αλλά πριν γίνει αυτό, πρέπει να ολοκληρωθούν δύο εργασίες. Πρώτον, τα κβαντικά τοπολογικά φαινόμενα θα πρέπει να εμφανίζονται σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Δεύτερον, είναι απαραίτητο να βρεθούν συστήματα απλών και στοιχειωδών υλικών (για παράδειγμα, πυρίτιο για παραδοσιακά ηλεκτρονικά) που μπορούν να υποστηρίξουν τοπολογικά φαινόμενα.
Προηγουμένως, η Οξφόρδη παρατήρησε περίεργη συμπεριφορά σωματιδίων που παραβιάζει τον θεμελιώδη φυσικό νόμο της έλξης και της απώθησης.
Οι φυσικοί ανακάλυψαν μια νέα κβαντική κατάσταση σε ένα στοιχειώδες στερεό
10 Απριλίου 2024
Οι φυσικοί έχουν παρατηρήσει ένα άγνωστο προηγουμένως κβαντικό φαινόμενο που ονομάζεται «υβριδική τοπολογία» σε ένα κρυσταλλικό υλικό. Αυτή η ανακάλυψη παρέχει νέες ευκαιρίες για την ανάπτυξη αποτελεσματικών υλικών και τεχνολογιών για την κβαντική επιστήμη και τεχνολογία μελλοντικής γενιάς, γράφει το Phys.org .
Η ανακάλυψη έγινε όταν οι επιστήμονες του Πρίνστον ανακάλυψαν ότι ένας στοιχειώδης στερεός κρύσταλλος που αποτελείται από άτομα αρσενικού (As) παρουσιάζει μια μορφή τοπολογικής κβαντικής συμπεριφοράς που δεν είχε παρατηρηθεί ποτέ. Κατάφεραν να ανιχνεύσουν και να απεικονίσουν αυτή τη νέα κβαντική κατάσταση χρησιμοποιώντας μικροσκόπια σάρωσης σήραγγας (STM) και φασματοσκοπία φωτοεκπομπής (η τελευταία τεχνική χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της σχετικής ενέργειας των ηλεκτρονίων σε μόρια και άτομα).
Η νέα κατάσταση συνδυάζει ή «υβριδοποιεί» δύο μορφές τοπολογικής κβαντικής συμπεριφοράς - καταστάσεις ακμής και καταστάσεις επιφάνειας - οι οποίες είναι δύο τύποι κβαντικών δισδιάστατων ηλεκτρονικών συστημάτων. Είχαν παρατηρηθεί σε προηγούμενα πειράματα, αλλά ποτέ δεν είχαν εμφανιστεί ταυτόχρονα στο ίδιο υλικό, όπου αναμίχθηκαν για να σχηματίσουν μια νέα κατάσταση ύλης.
Τα τελευταία χρόνια, οι τοπολογικές καταστάσεις της ύλης έχουν προσελκύσει σημαντική προσοχή από φυσικούς και μηχανικούς. Επί του παρόντος, η μελέτη τους βρίσκεται στο κέντρο του μεγάλου διεθνούς ενδιαφέροντος. Αυτό το πεδίο μελέτης συνδυάζει την κβαντική φυσική με την τοπολογία, έναν κλάδο των θεωρητικών μαθηματικών που μελετά τις γεωμετρικές ιδιότητες που μπορούν να παραμορφωθούν αλλά όχι ουσιαστικά.
Για περισσότερο από μια δεκαετία, οι επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει τοπολογικούς μονωτές με βάση το βισμούθιο (Bi) για να επιδείξουν και να διερευνήσουν εξωτικά κβαντικά αποτελέσματα σε στερεά χύμα, κυρίως με την παραγωγή πολύπλοκων υλικών όπως η ανάμειξη του Bi με το σελήνιο (Se). Ωστόσο, αυτό το πείραμα είναι η πρώτη φορά που ανακαλύφθηκαν τοπολογικά φαινόμενα σε κρυστάλλους του στοιχείου As.
Το στοιχειώδες στερεό χρησιμεύει ως μια ανεκτίμητη πειραματική πλατφόρμα για τη δοκιμή διαφόρων εννοιών τοπολογίας. Μέχρι τώρα, το βισμούθιο ήταν το μόνο στοιχείο με πλούσια τοπολογία, που οδήγησε σε δύο δεκαετίες έντονης ερευνητικής δραστηριότητας. Αυτό οφείλεται εν μέρει στην καθαρότητα του υλικού και στην ευκολία της σύνθεσης. Ωστόσο, η τρέχουσα ανακάλυψη ακόμη πλουσιότερων τοπολογικών φαινομένων στο αρσενικό θα ανοίξει ενδεχομένως το δρόμο για νέες και βιώσιμες ερευνητικές κατευθύνσεις.
Το τοπολογικό υλικό είναι το κύριο συστατικό που χρησιμοποιείται για την εξερεύνηση των μυστηρίων της κβαντικής τοπολογίας. Αυτή η συσκευή λειτουργεί ως μονωτής μέσα της, πράγμα που σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια μέσα δεν μπορούν να κινηθούν ελεύθερα και ως εκ τούτου δεν μεταφέρουν ηλεκτρισμό. Σε αυτή την περίπτωση, τα ηλεκτρόνια στα άκρα της συσκευής μπορούν να κινούνται ελεύθερα. Επιπλέον, λόγω των ειδικών ιδιοτήτων της τοπολογίας, τα ηλεκτρόνια που ρέουν κατά μήκος των ακμών δεν εμποδίζονται από ελαττώματα ή παραμορφώσεις.
Ο Χασάν σημείωσε ότι υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για τη χρήση τοπολογικών υλικών για πρακτικές εφαρμογές. Αλλά πριν γίνει αυτό, πρέπει να ολοκληρωθούν δύο εργασίες. Πρώτον, τα κβαντικά τοπολογικά φαινόμενα θα πρέπει να εμφανίζονται σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Δεύτερον, είναι απαραίτητο να βρεθούν συστήματα απλών και στοιχειωδών υλικών (για παράδειγμα, πυρίτιο για παραδοσιακά ηλεκτρονικά) που μπορούν να υποστηρίξουν τοπολογικά φαινόμενα.
Προηγουμένως, η Οξφόρδη παρατήρησε περίεργη συμπεριφορά σωματιδίων που παραβιάζει τον θεμελιώδη φυσικό νόμο της έλξης και της απώθησης.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου