Kvantefysikere udvikler robuste og ultrafølsomme topologiske kvanteanordninger

Et betydeligt gennembrud er opnået af kvantefysikere fra Dresden og Würzburg. De har skabt en halvlederenhed, hvor enestående robusthed og følsomhed er sikret af et kvantefænomen. Denne topologiske hudeffekt beskytter enhedens funktionalitet mod eksterne forstyrrelser, hvilket muliggør målinger af hidtil uset præcision.

Dette bemærkelsesværdige fremskridt er resultatet af det smarte arrangement af kontakter på aluminium-gallium-arsenid-materialet. Det frigør potentiale for højpræcisions kvantemoduler i topologisk fysik, hvilket bringer disse materialer ind i halvlederindustriens fokus. Disse resultater, offentliggjort i Nature Physics , markere en stor milepæl.

Topologisk fænomen i en halvlederenhed

Halvlederenheder er små koblingskomponenter, der styrer elektronstrømmen i moderne elektroniske enheder. De forsyner allestedsnærværende højteknologiske genstande som mobiltelefoner, bærbare computere og bilsensorer, såvel som avanceret medicinsk udstyr. Imidlertid kan materialeurenheder eller temperaturændringer forstyrre strømmen af ​​elektroner, hvilket fører til ustabilitet.

Men nu har teoretiske og eksperimentelle fysikere fra Würzburg-Dresden Cluster of Excellence ct.qmat—Complexity and Topology in Quantum Matter udviklet en halvlederanordning fra aluminium-gallium-arsenid (AlGaAs). Denne enheds elektronstrøm, som normalt er modtagelig for interferens, er sikret af et topologisk kvantefænomen.

"Takket være den topologiske hudeffekt er alle strømmene mellem de forskellige kontakter på kvantehalvlederen upåvirket af urenheder eller andre eksterne forstyrrelser. Dette gør topologiske enheder mere og mere attraktive for halvlederindustrien. De eliminerer behovet for de ekstremt høje niveauer af materialerenhed, der i øjeblikket øger omkostningerne ved elektronikfremstilling," forklarer professor Jeroen van den Brink, direktør for Instituttet for Teoretisk Faststoffysik ved Leibniz Institut for Faststof- og Materialeforskning i Dresden (IFW) og en hovedforsker af ct. .qmat.

Topologiske kvantematerialer, kendt for deres enestående robusthed, er velegnede til strømkrævende applikationer. "Vores kvantehalvleder er både stabil og alligevel meget nøjagtig - en sjælden kombination. Dette placerer vores topologiske enhed som en spændende ny mulighed inden for sensorteknik."

Ekstremt robust og ultra-præcis

Brug af den topologiske hudeffekt muliggør nye typer højtydende elektroniske kvanteenheder, der også kan være utroligt små. "Vores topologiske kvanteenhed måler omkring 0,1 millimeter i diameter og kan let skaleres yderligere ned," siger van den Brink.

Det banebrydende aspekt af præstationen af ​​holdet af fysikere fra Dresden og Würzburg er, at de var de første til at realisere den topologiske hudeffekt i mikroskopisk skala i et halvledermateriale. Dette kvantefænomen blev oprindeligt demonstreret på et makroskopisk niveau for tre år siden - men kun i et kunstigt metamateriale, ikke et naturligt. Det er derfor første gang, der er blevet udviklet en lille, halvlederbaseret topologisk kvanteenhed, der er både meget robust og ultrafølsom.

"I vores kvanteenhed er strøm-spændingsforholdet beskyttet af den topologiske hudeffekt, fordi elektronerne er begrænset til kanten. Selv i tilfælde af urenheder i halvledermaterialet forbliver strømstrømmen stabil," forklarer van den Brink.

"Desuden kan kontakterne registrere selv de mindste udsving i strøm eller spænding. Dette gør den topologiske kvanteenhed usædvanligt velegnet til fremstilling af højpræcisionssensorer og forstærkere med små diametre."

Innovativ eksperimentering fører til opdagelse

Succes blev opnået ved kreativt at arrangere materialer og kontakter på en AlGaAs-halvlederenhed, hvilket inducerede den topologiske effekt under ultrakolde forhold og et stærkt magnetfelt. "Vi lokkede virkelig den topologiske hudeffekt ud af enheden," forklarer van den Brink.

Fysikholdet brugte en todimensionel halvlederstruktur. Kontakterne var arrangeret på en sådan måde, at den elektriske modstand kunne måles ved kontaktkanterne, hvilket direkte afslørede den topologiske effekt.

Siden 2019 har ct.qmat undersøgt topologiske kvantematerialer i Würzburg og Dresden og udforsket deres ekstraordinære adfærd under ekstreme forhold som ultralave temperaturer, høje tryk eller stærke magnetfelter.

Det seneste gennembrud er også resultatet af et vedvarende samarbejde mellem forskere på klyngens to lokationer. Den nye kvanteanordning, udtænkt på IFW, var en fælles indsats, der involverede teoretiske fysikere fra Universität Würzburg såvel som både teoretiske og eksperimentelle forskere i Dresden. Efter at være blevet produceret i Frankrig, blev enheden testet i Dresden. Jeroen van den Brink og hans kolleger er nu dedikeret til at udforske dette fænomen yderligere med det formål at udnytte det til fremtidige teknologiske innovationer.

Flere oplysninger: Kyrylo Ochkan et al., Non-Hermitian topology in a multi-terminal quantum Hall device, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02337-4

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat