Вчені відкривають новий квантовий стан

Новий квантовий стан, «гібридна топологія», був відкритий у кристалах миш’яку вченими Прінстона, зливаючи крайові та поверхневі стани в унікальній квантовій поведінці. Це новаторське відкриття, виявлене за допомогою передових методів візуалізації, знаменує значний стрибок у дослідженні квантових матеріалів, що має наслідки для розробки нових квантових пристроїв і технологій.

Фізики спостерігали новий квантовий ефект, названий «гібридною топологією» в кристалічному матеріалі. Це відкриття відкриває нові можливості для розробки ефективних матеріалів і технологій для квантової науки та техніки нового покоління.

Висновок, опублікований у випуску журналу Nature від 10 квітня, став результатом дослідження вчених з Прінстона, що елементарний твердий кристал, виготовлений з атомів миш’яку (As), має таку форму топологічної квантової поведінки, яку раніше не спостерігали. Вони змогли дослідити та відобразити цей новий квантовий стан за допомогою скануючого тунельного мікроскопа (СТМ) і фотоемісійної спектроскопії, останнього методу, який використовується для визначення відносної енергії електронів у молекулах і атомах.

Квантові стани та методології

Цей стан поєднує або «гібридизує» дві форми топологічної квантової поведінки — крайові стани та поверхневі стани, які є двома типами квантових двовимірних електронних систем. Вони спостерігалися в попередніх експериментах, але ніколи не одночасно в тому самому матеріалі, де вони змішуються, щоб утворити новий стан матерії.

«Це відкриття було абсолютно несподіваним», — сказав М. Захід Хасан, професор фізики Юджина Хіггінса Прінстонського університету, який керував дослідженням. «Ніхто не передбачав цього в теорії до його спостереження».

Значення в дослідженні квантових матеріалів

Останніми роками вивчення топологічних станів матерії привернуло значну увагу фізиків та інженерів і зараз є центром великого міжнародного інтересу та досліджень. Ця область дослідження поєднує квантову фізику з топологією — галуззю теоретичної математики, яка досліджує геометричні властивості, які можна деформувати, але не змінювати по суті.

Протягом більше десяти років вчені використовували топологічні ізолятори на основі вісмуту (Bi), щоб продемонструвати та дослідити екзотичні квантові ефекти в сипучих тілах, переважно шляхом виробництва складних матеріалів, наприклад, змішування Bi з селеном (Se). Однак цей експеримент є першим випадком, коли топологічні ефекти були виявлені в кристалах з елемента As.

«Пошук і відкриття нових топологічних властивостей матерії стали одним із найбільш затребуваних скарбів сучасної фізики, як з точки зору фундаментальної фізики, так і для пошуку потенційних застосувань у квантовій науці та інженерії нового покоління», — сказав Хасан. «Відкриття цього нового топологічного стану, зробленого в елементарному твердому тілі, стало можливим завдяки численним інноваційним експериментальним досягненням і приладам у нашій лабораторії в Прінстоні».

Елементарне тіло служить безцінною експериментальною платформою для перевірки різних концепцій топології. До цього часу вісмут був єдиним елементом, який містить багатий гобелен топології, що призвело до двох десятиліть інтенсивної дослідницької діяльності. Частково це пояснюється чистотою матеріалу та легкістю синтезу. Проте нинішнє відкриття ще багатших топологічних явищ у миш’яку потенційно прокладе шлях для нових і стійких напрямків досліджень.

«Вперше ми демонструємо, що, подібно до різних корельованих явищ, різні топологічні порядки також можуть взаємодіяти та створювати нові та інтригуючі квантові явища», — сказав Хасан.

Топологічний матеріал є основним компонентом, який використовується для дослідження таємниць квантової топології. Цей пристрій діє як ізолятор у своїй внутрішній частині, що означає, що електрони всередині не можуть вільно рухатися і тому не проводять електрику. Однак електрони на краях пристрою можуть вільно рухатися, тобто є провідними. Крім того, завдяки особливим властивостям топології електрони, що протікають уздовж країв, не перешкоджають будь-яким дефектам або деформаціям. Цей пристрій має потенціал не лише для вдосконалення технології, але й для створення кращого розуміння самої матерії шляхом дослідження квантових електронних властивостей.

Хасан зазначив, що існує великий інтерес до використання топологічних матеріалів для практичних застосувань. Але перш ніж це можна буде реалізувати, необхідно зробити два важливі досягнення. По-перше, квантові топологічні ефекти повинні проявлятися при більш високих температурах. По-друге, необхідно знайти прості та елементарні матеріальні системи (наприклад, кремній для звичайної електроніки), які можуть приймати топологічні явища.

«У наших лабораторіях ми докладаємо зусиль в обох напрямках — ми шукаємо простіші системи матеріалів із легкістю виготовлення, де можна виявити істотні топологічні ефекти», — сказав Хасан. «Ми також шукаємо, як ці ефекти можна змусити вижити при кімнатній температурі».

Передумови експерименту

Коріння відкриття лежить у роботі квантового ефекту Холла — форми топологічного ефекту, який був предметом Нобелівської премії з фізики в 1985 році. З того часу були вивчені топологічні фази та багато нових класів квантових матеріалів із топологічною електронікою. структури були знайдені. Зокрема, Даніель Цуй, почесний професор електротехніки Артура Леграна Доті Прінстонського університету, отримав Нобелівську премію з фізики 1998 року за відкриття дробового квантового ефекту Холла. Подібним чином Ф. Дункан Холдейн, професор фізики Юджина Хіггінса в Прінстоні, отримав Нобелівську премію з фізики 2016 року за теоретичні відкриття топологічних фазових переходів і типу двовимірного (2D) топологічного ізолятора. Подальші теоретичні розробки показали, що топологічні ізолятори можуть мати форму двох копій моделі Холдейна, заснованої на спін-орбітальній взаємодії електрона.

Хасан і його дослідницька група йшли по стопах цих дослідників, досліджуючи інші аспекти топологічних ізоляторів і шукаючи нові стани матерії. Це привело їх у 2007 році до відкриття перших прикладів тривимірних (3D) топологічних ізоляторів. З тих пір Хасан і його команда протягом десяти років шукали новий топологічний стан у його найпростішій формі, який також може працювати при кімнатній температурі.

«Відповідна атомна хімія та структура структури в поєднанні з теорією перших принципів є вирішальним кроком, щоб зробити спекулятивне передбачення топологічного ізолятора реалістичним у високотемпературному середовищі», — сказав Хасан. «Існують сотні квантових матеріалів, і нам потрібні як інтуїція, досвід, розрахунки, пов’язані з матеріалами, так і інтенсивні експериментальні зусилля, щоб зрештою знайти потрібний матеріал для поглибленого дослідження. І це привело нас у десятирічну подорож дослідження багатьох матеріалів на основі вісмуту, що призвело до багатьох фундаментальних відкриттів».

Експеримент

Матеріали на основі вісмуту здатні, принаймні в принципі, підтримувати топологічний стан речовини при високих температурах. Але вони вимагають складної підготовки матеріалів в умовах надвисокого вакууму, тому дослідники вирішили вивчити кілька інших систем. Докторант Шафаят Хоссейн запропонував кристал із миш’яку, оскільки його можна виростити у формі, яка є чистішою, ніж багато сполук вісмуту.

Коли Хоссейн і Юсяо Цзян, аспірант із групи Хасана, звернули СТМ на зразок асену, вони побачили вражаюче спостереження — сірий миш’як, форма миш’яку з металевим виглядом, містить як топологічні стани поверхні, так і крайові стани. одночасно.

«Ми були здивовані. Сірий миш’як повинен був мати тільки поверхневі стани. Але коли ми досліджували краї атомних сходинок, ми також виявили красиві провідні крайові моди», — сказав Хоссейн.

«Ізольований моношаровий східчастий край не повинен мати безпросвітний режим», — додав Цзян, один із перших авторів дослідження.

Це те, що можна побачити в розрахунках, проведених Френком Шиндлером, докторантом і теоретиком конденсованих речовин з Імперського коледжу Лондона у Великобританії, і Раджібулом Ісламом, докторантом Університету Алабами в Бірмінгемі, штат Алабама. Обидва є співавторами статті.

«Після того, як ребро поміщається поверх об’ємного зразка, поверхневі стани гібридизуються з розривними станами на краю та утворюють стан без проміжків», — сказав Шиндлер.

«Ми вперше бачимо таку гібридизацію», — додав він.

Фізично такий безщілинний стан на краю сходинки не очікується ні для сильних, ні для топологічних ізоляторів вищого порядку окремо, а лише для гібридних матеріалів, де присутні обидва типи квантової топології. Цей безщілинний стан також відрізняється від поверхневих або шарнірних станів у сильних і топологічних ізоляторах вищого порядку відповідно. Це означало, що експериментальне спостереження Прінстонської команди відразу вказало на тип топологічного стану, який ніколи раніше не спостерігався.

Девід Хсі, голова відділу фізики Каліфорнійського технологічного інституту та дослідник, який не брав участі в дослідженні, вказав на інноваційні висновки дослідження.

«Як правило, ми вважаємо, що об’ємна смугова структура матеріалу відноситься до одного з кількох окремих топологічних класів, кожен з яких прив’язаний до певного типу граничного стану», — сказав Се. «Ця робота показує, що певні матеріали можна одночасно розділити на два класи. Найцікавіше те, що граничні стани, що виникають із цих двох топологій, можуть взаємодіяти та реконструюватись у новий квантовий стан, який є більше, ніж просто суперпозицією своїх частин».

Дослідники додатково обґрунтували вимірювання скануючої тунельної мікроскопії систематичною фотоемісійною спектроскопією високої роздільної здатності з кутовим розділенням.

«Зразок сірого As дуже чистий, і ми виявили чіткі ознаки топологічного стану поверхні», — сказав Зі-Цзя Чен, аспірант із групи Хасана та один із перших авторів статті, який виконав деякі вимірювання фотоемісії.