کشف ماده‌ای ناشناس که مرزهای کوانتومی را جابجا می‌کند

بسیاری از اثرات کوانتومی را می توان تنها در دماهای بسیار سرد تولید کرد، که میزان مفید بودن آنها را در شرایط دنیای واقعی محدود می کند.

به گزارش تکناک، اکنون محققان دانشگاه پرینستون وضعیت کوانتومی عجیبی را در ماده ای مستقر در دمای اتاق نشان داده اند.

عایق توپولوژیکی دارای ساختاری است که الکترون ها را به روشی منحصر به فرد هدایت می کند. بخش عمده ای از این ماده یک عایق است که به طور کامل از جریان انتقال الکترون ها جلوگیری می کند.

با این حال، لایه‌های نازک در سطح و در امتداد لبه‌های آن بسیار رسانا هستند و به الکترون‌ها اجازه می‌دهند آزادانه با راندمان بالا جریان داشته باشند. با توجه به این ویژگی‌های عجیب، عایق‌های توپولوژیکی می‌توانند میزبان برخی از حالت‌های کوانتومی جذاب باشند که می‌توانند برای ساخت فناوری‌های کوانتومی آینده مفید باشند.

اما مطمئناً یک نکته وجود دارد، بیشتر حالت‌های کوانتومی بسیار شکننده هستند و در برابر تداخل در حال فروپاشی هستند. گرما یا نویز حرارتی یک محرک اصلی است وقتی مواد گرمتر می‌شوند، اتم‌های موجود در آنها با انرژی‌های بالاتر مرتعش می‌شوند که حالت کوانتومی را مختل می‌کند.

به این ترتیب، بیشتر آزمایش‌ها و فناوری‌هایی که از اثرات کوانتومی استفاده می‌کنند باید در دمای نزدیک به صفر مطلق انجام شوند، جایی که حرکت اتم‌ها به سرعت کند می‌شود. اما این به نوبه خود باعث می شود که این فناوری ها برای استفاده گسترده تر غیرعملی باشند.

در مطالعه جدید، محققان پرینستون راهی برای حل 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.

مشخص شد که این ماده دارای شکاف نواری مناسب است، یک مانع یا به عبارت دیگرعایق که در آن الکترون ها نمی توانند با سطوح انرژی خاصی وجود داشته باشند. این شکاف نواری باید به اندازه کافی گسترده باشد تا در برابر نویز حرارتی محافظت کند، اما نه آنقدر گسترده باشد که اثر جفت شدن مدار چرخشی الکترون ها را مختل کند، که برای پایدار نگه داشتن آنها حیاتی است. مشخص شد که بیسموت برومید دارای شکاف نواری بیش از 200 میلی الکترون ولت است، درست در “نقطه شیرین” “sweet spot”  تا حالت کوانتومی را در دمای اتاق ثابت نگه دارد.

این تیم با مشاهده چیزی که حالت لبه هال اسپین کوانتومی نامیده می شود، یافته خود را تأیید کردند، ویژگی که برای سیستم های توپولوژیکی منحصر به فرد است. محققان می‌گویند که این پیشرفت در توسعه فناوری‌های کوانتومی مانند اسپین‌ترونیک ها مفید خواهد بود. میدان نوظهوری که داده‌ها را در اسپین‌های الکترون‌ها با بازدهی بالاتر از الکترونیک فعلی رمزگذاری می‌کند.

نانا شومیا، نویسنده اول این مطالعه گفت: این بسیار عالی است که ما آنها را بدون فشار غول پیکر یا میدان مغناطیسی فوق العاده بالا یافتیم، بنابراین مواد را برای توسعه فناوری کوانتومی نسل بعدی در دسترس تر می کنیم. من معتقدم که کشف ما مرز کوانتومی را به میزان قابل توجهی پیش خواهد برد.