این ماده عجیب، حالت کوانتومی عجیب و غریب را در دمای اتاق از خود بروز می دهد - وبلاگ رویال درام

به گزارش وبلاگ رویال درام، بسیاری از اثرات کوانتومی را می توان تنها در دماهای بسیار سرد ایجاد کرد، که اندازه کاربردی بودن آنها را دنیای واقعی محدود می نماید. اکنون محققان پرینستون شرایط کوانتومی عجیبی را در ماده ای در دمای اتاق نشان داده اند.

عایق توپولوژیکی ماده ای با ساختاری است که الکترون ها را به روشی منحصر به فرد راهنمایی می نماید. با این حال، لایه های نازک در سطح و در امتداد لبه های آن بسیار رسانا هستند و به الکترون ها اجازه می دهند آزادانه با راندمان بالا جریان داشته باشند . با توجه به این ویژگی های عجیب، عایق های توپولوژیکی می توانند میزبان بعضی از حالت های کوانتومی مجذوب نماینده باشند که می توانند برای ساخت فناوری های کوانتومی آینده مفید باشند.

اما مطمئناً یک نکته وجود دارد: بیشتر حالت های کوانتومی بسیار ناپایدار هستند. گرما یا نویز حرارتی یک محرک اصلی است - وقتی مواد گرمتر می شوند، اتم های موجود در آنها با انرژی های بالاتر مرتعش می شوند که حالت کوانتومی را مختل می نماید. به این ترتیب، بیشتر آزمایش ها و فناوری هایی که از اثرات کوانتومی استفاده می نمایند باید در دمای نزدیک به صفر مطلق انجام شوند، جایی که حرکت اتم ها به سرعت کند می گردد. اما این به نوبه خود باعث می گردد که این فناوری ها برای استفاده گسترده تر غیرعملی باشند.

در مطالعه تازه، محققان پرینستون راهی برای دور زدن این موضوع پیدا کردند و اثرات کوانتومی را در یک عایق توپولوژیکی در دمای اتاق مشاهده کردند. ماده انتخابی آنها یک ترکیب کریستالی معدنی به نام بیسموت برمید بود.

تعیین شد که این ماده دارای شکاف نواری band gap مناسب است، یک سد عایق که در آن الکترون ها نمی توانند با سطوح انرژی خاصی وجود داشته باشند. این شکاف نواری باید به میزان کافی گسترده باشد تا در برابر نویز حرارتی محافظت کند، اما نه آنقدر گسترده باشد که اثر جفت شدن مدار چرخش الکترون ها را مختل کند، که برای پایدار نگه داشتن آنها لازم است.

تعیین شد که بیسموت برومید دارای شکاف نواری بیش از 200 میلی الکترون ولت است، درست در نقطه مناسب تا حالت کوانتومی را در دمای اتاق ثابت نگه دارد.

این تیم با مشاهده چیزی که حالت لبه هال اسپین کوانتومی quantum spin hall edge state نامیده می گردد، یافته خود را تأیید کردند، ویژگی منحصر به فرد این سیستم های توپولوژیکی. پیشرفت فناوری های کوانتومی مانند اسپین ترونیک است، یعنی میدان نوظهوری است که داده ها را در اسپین های الکترون ها با بازدهی بالاتر از الکترونیک فعلی رمزگذاری می نماید.

این تحقیق در مجله Nature Materials منتشر شده است.