Bezprecedensowy stan hybrydy kwantowej odkryty na powierzchni arsenu: ScienceAlert

Fizycy właśnie odkryli coś, czego nikt się nie spodziewał, czai się na powierzchni kryształu arsenu.

Badając topologię kwantową – zachowanie falowe cząstek w połączeniu z matematyką inżynierską – zespół odkrył dziwną hybrydę dwóch stanów kwantowych, z których każdy opisuje inny sposób przepływu prądu.

„Ten wynik był całkowicie nieoczekiwany”. Mówi fizyk M. Zahida Hassana Z Uniwersytetu Princeton. „Nikt się tego teoretycznie nie spodziewał przed obserwacją”.

Topologia staje się coraz ważniejsza dla zrozumienia zachowania materiałów, które można opisać jedynie na podstawie ich właściwości falowych, zwanych tzw Materia kwantowa. Biorąc pod uwagę nasze zainteresowanie geometrią struktur, które nie zmieniają się skutecznie pod wpływem zgięcia lub odkształcenia (ale mogą się zmienić w przypadku złamania lub przebicia), topologia może wpływać na aktywność kwantową materiałów na różne sposoby.

Wiele z tych badań dotyczy związków na bazie bizmutu, ponieważ bizmut jest obecny Efektywny izolator topologiczny – Substancja, której warstwa zewnętrzna pełni funkcję przewodnika aktywności, a warstwa wewnętrzna pełni funkcję izolatora. Oznacza to, że elektrony wewnątrz są nieruchome, ale elektrony na powierzchni i krawędziach mogą się swobodnie poruszać.

Powszechnie stosowane w Materiały półprzewodnikoweArsen też może Pełni funkcję izolatora topologicznego. Fizycy, w tym Hassan i jego zespół, poszukiwali nowych stanów kwantowych w izolatorach topologicznych, zwłaszcza tych, które mogą pracować w temperaturze pokojowej.

Materiały na bazie bizmutu dostarczyły wielu pomysłów, ale wymagają wysokich temperatur, a ich synteza i przygotowanie są złożone. Natomiast arsen można uprawiać w czystszej formie niż bizmut i jest łatwiejszy w przygotowaniu. Naukowcy wyhodowali więc kryształy Szary arszenikktóry ma metaliczny wygląd, i zastosowane pola magnetyczne.

Następnie zbadali próbkę za pomocą skaningowej mikroskopii tunelowej (STM), która generuje obrazy w skalach subatomowych, oraz optycznej spektroskopii emisyjnej, która mierzy stany energetyczne elektronów.

znaleźli Stany powierzchniowe – Stany elektronowe przepływające po „bezprzerwowych” powierzchniach niektórych typów izolatorów topologicznych – co jest dobre i normalne. Ale nikt też nie spodziewał się tego, co znaleźli – Obudowy Edge Występują na granicy zupełnie innego typu izolatora topologicznego i nigdy wcześniej nie były widziane obok stanów powierzchniowych.

„Byliśmy zaskoczeni,” Mówi fizyk Muhammad Shafayat Hussein Z Uniwersytetu Princeton. „Szary arszenik miał mieć tylko stany powierzchniowe. Ale kiedy zbadaliśmy krawędzie stopnia atomowego, znaleźliśmy również piękne przewodzące wzory krawędziowe”.

Mogli jedynie stwierdzić, że to, co obserwowali, było stanem hybrydowym, jakiego nikt wcześniej nie widział.

„Zwykle uważamy, że struktura pasmowa materiału należy do jednej z kilku odrębnych klas topologicznych, z których każda jest powiązana z określonym typem stanu granicznego” mówi fizyk David Hsieh z California Institute of Technology, który nie był zaangażowany w badania.

„Ta praca pokazuje, że niektóre materiały można jednocześnie podzielić na dwie klasy. Jeszcze bardziej interesujące jest to, że stany graniczne wyłaniające się z tych dwóch topologii mogą oddziaływać na siebie i odbudowywać się w nowy stan kwantowy, który jest czymś więcej niż tylko superpozycją ich części”.

Odkrycie to może otworzyć drzwi do nowego typu materiałów kwantowych, co z kolei może przyspieszyć badania w dziedzinie fizyki kwantowej, a także technologie takie jak obliczenia kwantowe.

„Wyobrażamy sobie, że arsen ze swoją unikalną topologią może służyć jako nowa platforma na podobnym poziomie do opracowywania nowych materiałów topologicznych i urządzeń kwantowych, które są obecnie niedostępne za pośrednictwem istniejących platform”. Hassan mówi.

„Czekają na Ciebie nowe, ekscytujące granice w materiałoznawstwie i nowej fizyce!”

Badanie zostało opublikowane w Natura.