Новое квантовое состояние, наблюдаемое при комнатной температуре, может произвести революцию в электронике

Поиск новых топологических свойств материи — это новая золотая лихорадка в современной физике. Впервые физики наблюдали новые квантовые эффекты в топологическом изоляторе на основе элемента висмута при комнатной температуре. Это открытие открывает новые возможности для разработки эффективных, энергосберегающих квантовых технологий.

В последние годы изучение топологических состояний материи привлекло значительное внимание физиков и инженеров и в настоящее время является предметом большого международного интереса и исследований. Эта область исследований объединяет квантовую физику с топологией, ветвью теоретической математики, которая изучает геометрические свойства, которые могут быть искажены, но не изменены по своей сути.

Другими словами, топология — это отрасль математики, изучающая свойства геометрических объектов, которые сохраняются при непрерывной деформации без разрыва или повторного присоединения, подобно резинке, которую можно растянуть, не порвав.

Захид Хасан, профессор физики Принстонского университета и ведущий автор данного исследования, сказал в своем заявлении: «Новые топологические свойства материи стали одним из самых востребованных сокровищ современной физики, как с точки зрения фундаментальной физики, так и для потенциального применения в квантовой инженерии и нанотехнологиях следующего поколения«.

В этом контексте возникла спинтроника. Она основана на использовании фундаментального свойства частиц, известного как спин, для обработки информации. Спин — это квантовая характеристика частиц, которая тесно связана с их вращательными свойствами. Он играет важную роль в свойствах материи.

Спинтроника является аналогом электроники, в которой вместо спина используется электрический заряд электрона. Носитель информации как о заряде, так и о спине электрона потенциально может предложить устройства с более широким диапазоном функциональности.

Принстонские исследователи обнаружили, что материал топологического изолятора из элементов висмута и брома демонстрирует квантовое поведение, наблюдаемое только в экстремальных экспериментальных условиях высокого давления и температур, близких к абсолютному нулю. Это открытие открывает новые возможности для разработки эффективных квантовых технологий на основе спинтроники. Их работа опубликована в журнале Nature Materials.

Впервые в мире при комнатной температуре

Ученые уже более десяти лет используют топологические изоляторы для демонстрации квантовых эффектов. Это уникальное устройство, которое действует как изолятор в объеме — электроны внутри изолятора не могут свободно двигаться и поэтому не проводят электричество — но поверхность которого, тем не менее, может стать проводящей.

Эксперимент, описанный в данном исследовании, является первым, в котором они наблюдаются при комнатной температуре. Как правило, для индукции и наблюдения квантовых состояний в топологических изоляторах требуется температура, близкая к абсолютному нулю (около -273 градусов Цельсия).

Это происходит потому, что окружающая или высокая температура создает то, что физики называют «тепловым шумом», определяемым как повышение температуры настолько, что атомы начинают сильно вибрировать. Это действие может нарушить хрупкие квантовые системы, разрушив квантовое состояние.

В топологических изоляторах, в частности, эти более высокие температуры создают ситуацию, в которой электроны на поверхности изолятора вторгаются в его объем и заставляют электроны также начать проводить, тем самым разбавляя или нарушая специальный квантовый эффект.

Поэтому решение заключается в том, чтобы подвергать эти эксперименты исключительно низким температурам, обычно при абсолютном или близком к нему нуле. При таких температурах атомные и субатомные частицы перестают вибрировать, поэтому ими легче манипулировать. Однако создание и поддержание ультрахолодной среды непрактично по многим причинам: стоимость, пространство, большие затраты энергии.

Уникальный топологический изолятор

Хасан и его команда разработали инновационный способ решения этой проблемы. Опираясь на свой опыт работы с топологическими материалами, они создали новый тип топологического изолятора на основе бромида висмута — неорганического кристаллического соединения, которое иногда используется для очистки воды и химического анализа.

С практической точки зрения, изоляторы, как и полупроводники, имеют так называемые изолирующие (или полосовые) промежутки. По сути, это «барьеры» между орбитальными электронами, своего рода «ничейная земля», куда электроны не могут попасть, объясняют авторы. Эти зазоры чрезвычайно важны, поскольку они дают ключ к преодолению ограничений на получение квантового состояния, накладываемых тепловым шумом.

Тем не менее они делают это, если ширина полосовой щели превышает ширину теплового шума. Но слишком большой зазор может потенциально нарушить спин-орбитальную связь электронов — то есть взаимодействие между спином электрона и его орбитальным движением вокруг ядра. Когда происходит такое нарушение, топологическое квантовое состояние разрушается. Поэтому хитрость в индуцировании и поддержании квантового эффекта заключается в том, чтобы найти баланс между большим зазором и эффектами спин-орбитальной связи.

Изолятор, который изучали Хасан и его команда, имеет изоляционный зазор более 200 мэВ, достаточно большой, чтобы преодолеть тепловой шум, но достаточно малый, чтобы не нарушить эффект спин-орбитальной связи и топологию полосы реверса.

Революционное открытие для электроники

Хасан говорит: «В наших экспериментах мы нашли баланс между эффектами спин-орбитальной связи и большим зазором. Мы обнаружили, что существует «сладкая точка», где может быть относительно большая спин-орбитальная связь, чтобы создать топологический поворот и увеличить зазор, не разрушая его. Это похоже на точку равновесия для материалов на основе висмута, которые мы изучаем уже долгое время«.

Для демонстрации этого свойства исследователи использовали сканирующий туннельный микроскоп с субатомным разрешением — уникальное устройство, использующее свойство, известное как «квантовое туннелирование». В частности, когда одноатомный наконечник микроскопа приближается к поверхности на расстояние 1 нм, электроны из наконечника, колеблясь, остаются на наконечнике и могут быть перенесены на поверхность, что иллюстрирует эффект туннелирования. Микроскоп определяет электрическую проводимость между наконечником и поверхностью, т.е. количество протекающего через него тока. Сканируя линию за линией, можно получить электронную карту поверхности и каждого атома или молекулы на ней.

Таким образом, исследователи наблюдали четкое квантово-спиновое граничное состояние Холла, которое является одним из важных свойств, существующих только в топологических системах. Это потребовало дополнительных новых инструментов для уникальной изоляции топологического эффекта.

Нана Шумия, постдокторский научный сотрудник в области электротехники и вычислительной техники, один из трех главных соавторов исследования, говорит: «Просто замечательно, что мы нашли их без гигантского давления или сверхвысоких магнитных полей, что делает материалы более доступными для разработки квантовых технологий следующего поколения«. Она добавляет: «Я считаю, что наше открытие значительно продвинет квантовую границу«.

Теперь исследователи хотят определить, какие еще топологические материалы могут работать при комнатной температуре, и, самое главное, предоставить другим ученым инструменты и новые методы инструментария для выявления материалов, которые можно использовать при комнатной и высоких температурах.