I ett nytt experiment har fysiker observerat långväga kvantkoherenseffekter på grund av Aharonov-Bohm-interferens i en topologisk isolatorbaserad enhet. Denna upptäckt öppnar upp en ny värld av möjligheter för den framtida utvecklingen av topologisk kvantfysik och ingenjörskonst.
Denna upptäckt kan också påverka utvecklingen av spinnbaserad elektronik, som potentiellt kan ersätta vissa nuvarande elektroniska system för högre energieffektivitet och kan ge nya plattformar för att utforska kvantinformationsvetenskap.
Forskningen, publicerad i numret av Nature Physics, den 20 februari är kulmen på mer än 15 års arbete på Princeton. Det uppstod när Princeton-forskare utvecklade en kvantanordning – en så kallad vismutbromid (α-Bi4 Br4 ) topologisk isolator – bara några nanometer tjock och använde den för att undersöka kvantkoherens.
Forskare har använt topologiska isolatorer för att demonstrera nya kvanteffekter i mer än ett decennium. Princeton-teamet utvecklade sin vismutbaserade isolator i ett tidigare experiment där de visade dess effektivitet vid rumstemperatur.
Men det här nya experimentet är första gången dessa effekter har observerats med en mycket lång räckvidd kvantkoherens och vid en relativt hög temperatur. Att inducera och observera koherenta kvanttillstånd kräver vanligtvis temperaturer nära absolut noll på artificiellt utformade halvledande material endast i närvaro av starka magnetfält.
"Våra experiment ger övertygande bevis för förekomsten av långväga kvantkoherens i topologiska gångjärnslägen, vilket öppnar nya vägar mot utvecklingen av topologiska kretsar såväl som att använda denna topologiska metod för att utforska och främja fundamental fysik", säger M. Zahid Hasan. , Eugene Higgins professor i fysik vid Princeton University, som ledde forskningen.
"Till skillnad från konventionella elektroniska enheter är topologiska kretsar robusta mot defekter och föroreningar, vilket gör dem mycket mindre benägna för energiförlust, vilket är fördelaktigt för grönare tillämpningar."
Under de senaste åren har studiet av materiens topologiska tillstånd väckt stor uppmärksamhet bland fysiker och ingenjörer och är för närvarande i fokus för mycket internationellt intresse och forskning. Detta studieområde kombinerar kvantfysik med topologi – en gren av teoretisk matematik som utforskar geometriska egenskaper som kan deformeras men inte förändras i sig.
Den huvudsakliga enheten som används för att undersöka kvanttopologins mysterier kallas en topologisk isolator. Detta är en unik enhet som fungerar som en isolator i sitt inre, vilket gör att elektronerna inuti inte är fria att röra sig och leder därför inte elektricitet. Elektronerna på enhetens kanter är dock fria att röra sig, vilket betyder att de är ledande.
Dessutom, på grund av topologins speciella egenskaper, hindras elektronerna som strömmar längs kanterna inte av några defekter eller deformationer. En speciell typ av topologi är också möjlig i vissa vismutbaserade material där vissa kanter kan vara gapade och endast vissa gångjärn förblir ledande.
En anordning gjord av sådana topologiska material har potentialen att inte bara förbättra tekniken utan också skapa en större förståelse för själva materien genom att undersöka kvantegenskaper på nya och innovativa sätt.
Hittills har dock oförmågan att uppnå långa koherenstider varit en stor stötesten i strävan att använda materialen för tillämpningar i funktionella enheter. Koherens hänvisar till förmågan att upprätthålla kvanttillstånden av superposition och intrassling inför störande influenser, såsom termalisering eller andra interaktioner med miljön.
"Det finns ett stort intresse för topologiska material, och folk talar ofta om deras stora potential för praktiska tillämpningar," sa Hasan, "men tills någon makroskopisk kvanttopologisk effekt kan påvisas ha lång kvantkoherens som också kan fungera på relativt hög nivå. temperaturer, kommer dessa tillämpningar sannolikt att förbli orealiserade. Därför letar vi efter material som uppvisar långväga kvantkoherens av topologiska elektroner."
Hasans team har utforskat vismutbaserade topologiska material i nästan två decennier. Nyligen upptäckte dock teamet att vismutbromidisolatorn har egenskaper som gör den mer idealisk jämfört med vismutbaserade topologiska isolatorer (inklusive Bi-Sb-legeringar) som de hade studerat sedan 2005. Den har ett stort isolerande gap på över 200 meV (milli-elektronvolt). Denna är tillräckligt stor för att övervinna termiskt brus, men tillräckligt liten för att den inte stör spin-orbit-kopplingseffekten och bandinversionstopologin.
Vismutbromidisolatorer tillhör en klass av topologiska isolatorer som också uppvisar högordningseffekter vars ytor blir isolerande, men kanterna på en viss symmetri-dikterad orientering förblir ledande. Dessa kallas gångjärnstillstånd som nyligen teoretiserades av kollaboratören och medförfattaren Titus Neuperts grupp vid universitetet i Zürich.
"Även om det inte var garanterat i teorin, upptäckte vi genom flera års experiment att vismutbromids gångjärnstillstånd har en mycket lång räckvidd kvantkoherens vid relativt hög temperatur. I det här fallet, i våra experiment baserade på enheterna vi tillverkade, fann vi en balans mellan spin-orbit kopplingseffekter, långväga kvantkoherens och termiska fluktuationer," sa Hasan.
"Vi fann att det finns en "sweet spot" där du kan ha en relativt hög grad av kvantkoherens för de topologiska gångjärnslägena samt arbeta vid en relativt hög temperatur. Det är ungefär som en balanspunkt för de vismutbaserade materialen som vi har studerat i nästan två decennier."
Med hjälp av ett skannande tunnelmikroskop observerade forskarna ett tydligt kvantspinn Hall-kanttillstånd, vilket är en av de viktiga egenskaper som unikt existerar i topologiska system. Detta krävde ytterligare ny instrumentering för att unikt isolera den topologiska effekten.
Även om vismut har ett sådant kvanttillstånd, är materialet i sig en halvmetall utan någon isolerande energigap. Detta gör det svårt att utforska dess konsekvens i elektrontransport eftersom transportkanalerna i vismut innehåller elektroner från både bulk- och från gångjärnstillstånden. De blandar och suddar ut den koherenta kvanttransportsignalen för gångjärnstillstånden.
Ytterligare ett problem orsakas av vad fysiker kallar "termiskt brus", vilket definieras som en temperaturhöjning så att atomerna börjar vibrera våldsamt. Denna åtgärd kan störa känsliga kvantsystem och därmed kollapsa kvanttillståndet. Speciellt i topologiska isolatorer skapar dessa högre temperaturer en situation där elektronerna på isolatorns yta invaderar isolatorns inre, eller "bulk" av isolatorn, och gör att elektronerna där också börjar leda, vilket späds ut eller går sönder. den speciella kvanteffekten. Termiska fluktuationer förstör också elektronernas kvantfaskoherens.
Men vismutbromidisolatorn som utvecklats av teamet kunde kringgå detta och andra problem. De använde enheten för att demonstrera kvantkoherent transport genom de topologiska gångjärnslägena. Ett kännetecken för kvantkoherent transport är manifestationen av Aharonov–Bohm kvantinterferens.
Aharonov–Bohm-interferensen, som förutspåddes för nästan 60 år sedan (fysikern David Bohm var i Princeton från 1947 till 1951), beskriver ett fenomen där en kvantvåg delas upp i två vågor som går runt en sluten bana och stör under påverkan av en elektromagnetisk våg. potential.
Det resulterande interferensmönstret bestäms av det magnetiska flödet som omges av vågorna. När det gäller elektroner uppstår en sådan kvantinterferens om ledningselektronerna förblir faskoherenta efter att ha slutfört slutna banor, vilket resulterar i en periodisk oscillation i elektriskt motstånd med en karakteristisk period för magnetfältet ΔB = Φ0 /S, där Φ0 = h/e är flödeskvantum, S är området över vilket elektronbanorna förblir faskoherenta, h är Plancks konstant och e är elektronladdningen.
För de topologiska ledningskanalerna omsluter alla faskoherenta banor som deltar i kvantinterferensen samma område vinkelrätt mot B-fältet, vilket skiljer sig från de universella konduktansfluktuationerna. Här presenterar de magnetoresistansspår från α-Bi4 Br4 prover som visar B-periodiska oscillationer, kännetecknet för Aharonov-Bohm-effekten som härrör från faskoherenta bärare.
"För första gången visade vi att det finns en klass av vismutbaserade topologiska elektronenheter som kan ha en hög grad av kvantkoherens som överlever upp till relativt hög temperatur, vilket beror på Aharonov-Bohm-interferenseffekten som härrör från faskoherent topologisk elektroner", sa Hasan.
Upptäcktens topologiska rötter ligger i hur kvanthalleffekten fungerar – en form av topologisk effekt som var föremål för Nobelpriset i fysik 1985. Sedan dess har topologiska faser studerats intensivt.
Många nya klasser av kvantmaterial med topologiska elektroniska strukturer har hittats, inklusive topologiska isolatorer, topologiska supraledare, topologiska magneter och Weyl-halvmetaller. Experimentella och teoretiska upptäckter har båda fortsatt.
Daniel Tsui, Arthur Legrand Doty-professorn i elektroteknik emeritus vid Princeton, vann 1998 års Nobelpris i fysik för att ha upptäckt den fraktionerade kvanthalleffekten, och F. Duncan Haldane, Eugene Higgins professor i fysik vid Princeton, vann Nobelpriset 2016 i fysik för teoretiska upptäckter av topologiska fasövergångar och en typ av tvådimensionella (2D) topologiska isolatorer.
Efterföljande teoretiska utvecklingar visade att topologiska isolatorer kan ta formen av två kopior av Haldanes modell baserad på elektrons spin-omloppsinteraktion.
Hasan och hans team har varit på en decennielång sökning efter ett topologiskt kvanttillstånd som också kan bevara en hög grad av kvantkoherens vid en relativt hög temperatur, efter deras upptäckt av de första exemplen på tredimensionella topologiska isolatorer 2007.
Nyligen hittade de en lösning på Haldanes gissningar i ett topologiskt material som kan fungera vid rumstemperatur, vilket också uppvisar önskad kvantisering.
"En lämplig atomkemi och strukturdesign kopplad till teorin om de första principerna är det avgörande steget för att göra den topologiska isolatorns spekulativa förutsägelse realistisk i en enhetsmiljö för att upprätthålla lång kvantkoherens", sa Hasan.
"Det finns många Bi-baserade topologiska material, och vi behöver både intuition, erfarenhet, materialspecifika beräkningar och intensiva experimentella ansträngningar för att så småningom hitta rätt material för djupgående utforskning i en enhetsmiljö. Och det tog oss på ett decennium- lång resa med att undersöka vissa vismutbaserade material som så småningom verkar fungera."
"Vi tror att detta fynd kan vara startpunkten för framtida utveckling inom kvantteknik och nanoteknik", säger Shafayat Hossain, en postdoktorand forskningsassistent vid Hasans labb och en av första författare till studien.
"Det har funnits så många föreslagna möjligheter inom topologisk kvantvetenskap och ingenjörsteknik som väntar, och att hitta lämpliga material med långa kvantkoherensegenskaper i kombination med ny instrumentering är en av nycklarna för detta. Och det är vad vi uppnådde."
"Om elektronerna inte studsar runt, eller är upprörda, förlorar de inte energi", sa Hasan. "Detta skapar en kvantbas för energibesparing eller grönare teknik eftersom de förbrukar mycket mindre ström. Men det här är fortfarande långt kvar."
För närvarande är det teoretiska och experimentella fokuset för Hasans team koncentrerat i två riktningar, sa Hasan. Först vill forskarna fastställa vilka andra topologiska material som kan uppvisa liknande eller högre nivå av kvantkoherens, och, viktigare, ge andra forskare verktygen och nya instrumenteringsmetoder för att identifiera dessa material som kommer att fungera vid högre temperaturer.
För det andra vill forskarna fortsätta att sondera djupare in i kvantvärlden och söka efter ny fysik i en enhetsmiljö. Dessa studier kommer att kräva utveckling av ytterligare en uppsättning nya instrument och tekniker och topologiska anordningar för att fullt ut kunna utnyttja den enorma potentialen hos dessa underverk.
Nan Yao, en medförfattare till artikeln med titeln "Quantum transport response of topological gångjärnslägen" och professor i praktiken vid Princeton Materials Institute sammanfattade forskningen genom att säga:"Detta arbete med topologiska isolatorer av högre ordning exemplifierar skönheten och vikten av att upptäcka nya aspekter av naturen, såsom kvantkoherensen av topologiska gångjärnstillstånd."
"Det är en upptäckt som potentiellt kan leda till spännande framsteg inom kvantanordningar, och jag påminns om Einsteins berömda citat, 'Det vackraste vi kan uppleva är det mystiska. Det är källan till all sann konst och vetenskap'."
Mer information: Md Shafayat Hossain et al, Kvanttransportsvar av topologiska gångjärnslägen, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02388-1
Tillhandahålls av Princeton University
