Forskere opdager eksotiske kvanteinterferenseffekter i en topologisk isolatorenhed

I et nyt eksperiment har fysikere observeret lang række kvantekohærenseffekter på grund af Aharonov-Bohm-interferens i en topologisk isolatorbaseret enhed. Denne opdagelse åbner op for et nyt område af muligheder for den fremtidige udvikling af topologisk kvantefysik og teknik.

Denne opdagelse kan også påvirke udviklingen af ​​spin-baseret elektronik, som potentielt kan erstatte nogle nuværende elektroniske systemer for højere energieffektivitet og kan give nye platforme til at udforske kvanteinformationsvidenskab.

Forskningen, offentliggjort i 20. februar-udgaven af ​​Nature Physics, er kulminationen på mere end 15 års arbejde hos Princeton. Det skete, da Princeton-forskere udviklede en kvanteanordning - kaldet et bismuthbromid (α-Bi₄ Br₄ ) topologisk isolator - kun et par nanometer tyk og brugte den til at undersøge kvantekohærens.

Forskere har brugt topologiske isolatorer til at demonstrere nye kvanteeffekter i mere end et årti. Princeton-teamet udviklede deres vismut-baserede isolator i et tidligere eksperiment, hvor de demonstrerede dens effektivitet ved stuetemperatur.

Men dette nye eksperiment er første gang, disse effekter er blevet observeret med en meget lang rækkevidde kvantekohærens og ved en relativt høj temperatur. Inducering og observation af sammenhængende kvantetilstande kræver typisk temperaturer nær det absolutte nulpunkt på kunstigt designede halvledende materialer kun i nærværelse af stærke magnetiske felter.

"Vores eksperimenter giver overbevisende beviser for eksistensen af ​​lang rækkevidde kvantekohærens i topologiske hængseltilstande og åbner således nye veje mod udviklingen af ​​topologiske kredsløb såvel som at bruge denne topologiske metode til at udforske og fremme fundamental fysik," sagde M. Zahid Hasan. , Eugene Higgins professor i fysik ved Princeton University, der ledede forskningen.

"I modsætning til konventionelle elektroniske enheder er topologiske kredsløb robuste over for defekter og urenheder, hvilket gør dem langt mindre tilbøjelige til energiafledning, hvilket er fordelagtigt til grønnere anvendelser."

Topologiske tilstande af stof og sammenhæng

I de senere år har studiet af topologiske tilstande af stof tiltrukket sig betydelig opmærksomhed blandt fysikere og ingeniører og er i øjeblikket i fokus for megen international interesse og forskning. Dette studieområde kombinerer kvantefysik med topologi - en gren af ​​teoretisk matematik, der udforsker geometriske egenskaber, der kan deformeres, men ikke iboende ændres.

Den vigtigste enhed, der bruges til at undersøge kvantetopologiens mysterier, kaldes en topologisk isolator. Dette er en unik enhed, der fungerer som en isolator i dets indre, hvilket betyder, at elektronerne indeni ikke er frie til at bevæge sig rundt og derfor ikke leder elektricitet. Elektronerne på enhedens kanter kan dog frit bevæge sig rundt, hvilket betyder, at de er ledende.

På grund af topologiens særlige egenskaber er elektronerne, der strømmer langs kanterne, desuden ikke hæmmet af nogen defekter eller deformationer. En speciel type topologi er også mulig i visse vismutbaserede materialer, hvor nogle kanter kan være spaltede, og kun nogle hængsler forbliver ledende.

En enhed lavet af sådanne topologiske materialer har potentialet til ikke kun at forbedre teknologien, men også til at skabe en større forståelse af selve stoffet ved at undersøge kvanteegenskaber på nye og innovative måder.

Indtil nu har den manglende evne til at opnå lange sammenhængstider imidlertid været en stor anstødssten i bestræbelserne på at bruge materialerne til applikationer i funktionelle enheder. Kohærens refererer til evnen til at opretholde kvantetilstande af superposition og sammenfiltring i lyset af forstyrrende påvirkninger, såsom termalisering eller andre interaktioner med miljøet.

"Der er stor interesse for topologiske materialer, og folk taler ofte om deres store potentiale for praktiske anvendelser," sagde Hasan, "men indtil en eller anden makroskopisk kvantetopologisk effekt kan påvises at have lang kvantekohærens, som også kan fungere ved relativt høj temperaturer, vil disse applikationer sandsynligvis forblive urealiserede. Derfor er vi på jagt efter materialer, der udviser langrækkende kvantekohærens af topologiske elektroner."

Det aktuelle eksperiment

Hasans team har udforsket bismuth-baserede topologiske materialer i næsten to årtier. For nylig opdagede holdet dog, at bismuthbromid-isolatoren har egenskaber, der gør den mere ideel sammenlignet med bismuth-baserede topologiske isolatorer (inklusive Bi-Sb-legeringer), som de havde undersøgt siden 2005. Den har et stort isolerende hul på over 200 meV (milli-elektron volt). Denne er stor nok til at overvinde termisk støj, men lille nok til at den ikke forstyrrer spin-orbit-koblingseffekten og båndinversionstopologien.

Bismuthbromidisolatorer tilhører en klasse af topologiske isolatorer, der også udviser højordenseffekter, hvis overflader bliver isolerende, men kanterne af en vis symmetri-dikteret orientering forbliver ledende. Disse kaldes hængseltilstande, som for nylig blev teoretiseret af samarbejdspartner og medforfatter Titus Neuperts gruppe ved universitetet i Zürich.

"Selvom det ikke var garanteret i teorien, opdagede vi gennem flere års eksperimenter, at bismuthbromids hængseltilstande har meget lang rækkevidde kvantekohærens ved relativt høj temperatur. I dette tilfælde fandt vi i vores eksperimenter baseret på de enheder, vi fremstillede, en balance mellem spin-orbit koblingseffekter, lang rækkevidde kvantekohærens og termiske fluktuationer," sagde Hasan.

"Vi fandt ud af, at der er et 'sweet spot', hvor du kan have en relativt høj grad af kvantekohærens af de topologiske hængseltilstande samt operere ved en relativt høj temperatur. Det er lidt ligesom et balancepunkt for de vismutbaserede materialer, som vi har studeret i næsten to årtier."

Ved hjælp af et scanningstunnelmikroskop observerede forskerne en klar kvantespin Hall-kanttilstand, som er en af ​​de vigtige egenskaber, der unikt eksisterer i topologiske systemer. Dette krævede yderligere ny instrumentering til entydigt at isolere den topologiske effekt.

Selvom bismuth rummer en sådan kvantetilstand, er materialet i sig selv et halvmetal uden noget isolerende energigab. Dette gør det vanskeligt at udforske dens konsekvens i elektrontransport, fordi transportkanalerne i bismuth indeholder elektroner fra både bulk- og fra hængseltilstandene. De blander og slører det sammenhængende kvantetransportsignal i hængseltilstandene.

Et yderligere problem er forårsaget af det, fysikere kalder "termisk støj", som defineres som en temperaturstigning, således at atomerne begynder at vibrere voldsomt. Denne handling kan forstyrre sarte kvantesystemer og derved kollapse kvantetilstanden. Især i topologiske isolatorer skaber disse højere temperaturer en situation, hvor elektronerne på overfladen af ​​isolatoren invaderer det indre eller "masse" af isolatoren og får elektronerne der til også at begynde at lede, hvilket fortynder eller knækker. den særlige kvanteeffekt. Termiske udsving ødelægger også elektronernes kvantefasekohærens.

Men bismuthbromid-isolatoren udviklet af holdet var i stand til at omgå dette og andre problemer. De brugte enheden til at demonstrere kvantekohærent transport gennem de topologiske hængseltilstande. Et kendetegn for kvantekohærent transport er manifestationen af ​​Aharonov-Bohm kvanteinterferensen.

Aharonov-Bohm-interferensen, forudsagt for næsten 60 år siden (fysiker David Bohm var i Princeton fra 1947 til 1951), beskriver et fænomen, hvor en kvantebølge opdeles i to bølger, der går rundt om en lukket bane og interfererer under påvirkning af en elektromagnetisk bølge. potentiale.

Det resulterende interferensmønster bestemmes af den magnetiske flux, der er omsluttet af bølgerne. I tilfælde af elektroner opstår en sådan kvanteinterferens, hvis ledningselektronerne forbliver fasekohærente efter at have afsluttet lukkede baner, hvilket resulterer i en periodisk svingning i elektrisk modstand med en karakteristisk periode for magnetfeltet ΔB = Φ₀ /S, hvor Φ₀  = h/e er fluxkvanten, S er det område, hvorover elektronbanerne forbliver fasekohærente, h er Plancks konstant og e er elektronladningen.

For de topologiske ledningskanaler omslutter alle fasekohærente baner, der deltager i kvanteinterferensen, det samme område vinkelret på B-feltet, hvilket er forskelligt fra de universelle konduktansfluktuationer. Her præsenterer de magnetoresistensspor fra α-Bi₄ Br₄ prøver, der viser B-periodiske oscillationer, kendetegnende for Aharonov-Bohm-effekten, der stammer fra fasekohærente bærere.

"For første gang demonstrerede vi, at der er en klasse af bismuth-baserede topologiske elektronenheder, der kan have en høj grad af kvantekohærens, der overlever op til relativt høj temperatur, hvilket skyldes Aharonov-Bohm-interferenseffekten, der stammer fra fasekohærent topologisk elektroner," sagde Hasan.

Opdagelsens topologiske rødder ligger i kvante-Hall-effektens virkemåde – en form for topologisk effekt, der var genstand for Nobelprisen i fysik i 1985. Siden da er topologiske faser blevet intenst undersøgt.

Mange nye klasser af kvantematerialer med topologiske elektroniske strukturer er blevet fundet, herunder topologiske isolatorer, topologiske superledere, topologiske magneter og Weyl-halvmetaller. Eksperimentelle og teoretiske opdagelser er begge fortsat.

Daniel Tsui, Arthur Legrand Doty professor i elektroteknik emeritus ved Princeton, vandt 1998 Nobelprisen i fysik for at opdage den fraktionelle kvante Hall-effekt, og F. Duncan Haldane, Eugene Higgins professor i fysik ved Princeton, vandt 2016 Nobelprisen i fysik til teoretiske opdagelser af topologiske faseovergange og en type todimensionelle (2D) topologiske isolatorer.

Efterfølgende teoretiske udviklinger viste, at topologiske isolatorer kan tage form af to kopier af Haldanes model baseret på elektrons spin-orbit interaktion.

Hasan og hans team har været på en årtier lang søgen efter en topologisk kvantetilstand, der også kan bevare høj grad af kvantekohærens ved en relativt høj temperatur, efter deres opdagelse af de første eksempler på tredimensionelle topologiske isolatorer i 2007.

For nylig fandt de en løsning på Haldanes formodning i et topologisk materiale, der er i stand til at fungere ved stuetemperatur, som også udviser den ønskede kvantisering.

"Et passende atomkemi og strukturdesign koblet til teorien om de første principper er det afgørende skridt til at gøre topologiske isolatorers spekulative forudsigelse realistisk i en enhedsindstilling for at opretholde lang kvantekohærens," sagde Hasan.

"Der er mange Bi-baserede topologiske materialer, og vi har brug for både intuition, erfaring, materialespecifikke beregninger og intense eksperimentelle bestræbelser for til sidst at finde det rigtige materiale til dybdegående udforskning i en enhedsmiljø. Og det tog os på et årti- lang rejse med at undersøge nogle vismut-baserede materialer, der til sidst ser ud til at virke."

Konsekvenser for kvantematerialer

"Vi mener, at dette fund kan være udgangspunktet for fremtidig udvikling inden for kvanteteknologi og nanoteknologi," sagde Shafayat Hossain, en postdoktoral forskningsmedarbejder i Hasans laboratorium og en medførsteforfatter af undersøgelsen.

"Der har været så mange foreslåede muligheder inden for topologisk kvantevidenskab og ingeniørteknologi, der venter, og at finde passende materialer med lange kvantekohærensegenskaber kombineret med ny instrumentering er en af ​​nøglerne til dette. Og det er, hvad vi opnåede."

"Hvis elektronerne ikke hopper rundt eller er ophidsede, mister de ikke energi," sagde Hasan. "Dette skaber et kvantegrundlag for energibesparelser eller grønnere teknologier, fordi de bruger meget mindre strøm. Men det er stadig et stykke vej."

I øjeblikket er det teoretiske og eksperimentelle fokus for Hasans team koncentreret i to retninger, sagde Hasan. For det første ønsker forskerne at bestemme, hvilke andre topologiske materialer der kan udvise lignende eller højere niveauer af kvantekohærens, og, hvad der er vigtigt, give andre forskere værktøjerne og nye instrumenteringsmetoder til at identificere disse materialer, der vil fungere ved højere temperaturer.

For det andet ønsker forskerne at fortsætte med at sondere dybere ind i kvanteverdenen og søge efter ny fysik i en enhedsindstilling. Disse undersøgelser vil kræve udvikling af endnu et sæt nye instrumenter og teknikker og topologiske enheder for fuldt ud at udnytte det enorme potentiale i disse vidundermaterialer.

Nan Yao, en medforfatter af papiret med titlen "Quantum transport response of topological hinging modes," og professor i praksis ved Princeton Materials Institute opsummerede forskningen ved at sige:"Dette arbejde med topologiske isolatorer af højere orden eksemplificerer skønhed og vigtigheden af ​​at opdage nye facetter af naturen, såsom kvantesammenhængen af ​​topologiske hængseltilstande."

"Det er en opdagelse, der potentielt kan føre til spændende fremskridt inden for kvanteanordninger, og jeg bliver mindet om Einsteins berømte citat:'Det smukkeste, vi kan opleve, er det mystiske. Det er kilden til al sand kunst og videnskab'."

Flere oplysninger: Md Shafayat Hossain et al., Kvantetransportrespons af topologiske hængseltilstande, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02388-1

Leveret af Princeton University