فیزیکدانان مواد جدید الکترونیکی کوانتومی را کشف می کنند

۲۹ اسفند ۱۳۹۶ کافه

نقاشی به همراهفتنی ژاپنی که به عنوان الگوی کاگومه شناخته شده هست، در طول دهه ها فیزیکدانان را مورد توجه قرار داده هست. سبد Kagome معمولا از نوار به همراهمبو به همراهفته شده به یک الگوی بسیار متقارن از مثلث، زوایای سه گوشه اشتراک گذاری شده هست.

اگر یک ماده فلزی یا دیگر رسانا بتواند به یک الگوریتم کگومه در مقیاس اتمی شبه همراههت داشته به همراهشد، به همراه اتم های مختلف در الگوهای مثلث مثلثی نظیر نظریه های الکترونیکی عجیب و غریب نمایش داده می شود.

در مقاله ای که اخیرا در Nature منتشر شده هست، فیزیکدانان دانشگاه MIT، دانشگاه هاروارد و آزمایشگاه ملی لارنس برکلی گزارش دادند که برای اولین به همراهر یک فلز کوگوم تولید می کنند که یک کریستال هدایت الکتریکی هست که از لایه ها ساخته شده هست. از اتم های آهن و قلع، به همراه هر لایه اتمی در الگوی تکرار یک شبکه کاگوم قرار گرفته هست.

زمانی که یک جریان در سراسر لایه های کعومت درون کریستال جریان می یابد، محققان متوجه شدند که ترتیب مثلثی اتم ها موجب رفتار عجیب و غریب مانند جریان کوانتومی شده هست. به جای جاری شدن مستقیم از طریق شبکه، الکترونها به جای آن، در داخل شبکه قرار می گیرند یا خم می شوند.

این رفتار پسر عموی سه بعدی اثر تابش کوانتومی هست که در آن الکترونهایی که از طریق مواد دو بعدی جریان می یابند، "یک وضعیت توپولوژیک کریال" را نشان می دهند که در آن به مسیرهای تنگ، دایره ای و جریان در امتداد لبهها بدون از دست دادن انرژی

"جوزف چکلسکی، هستادیار فیزیک در MIT می گوید:" به همراه ساختن شبکه کگومای آهن که به طور ذاتی مغناطیسی هست، این رفتار عجیب و غریب به دمای اتاق و به همراهلاتر ادامه می یابد. " "اتهامات در کریستال نه تنها میدان مغناطیسی از این اتمها را احساس می کنند، بلکه نیروی مغناطیسی مکانیکی کوانتومی را از شبکه نیز می بینند. این می تواند در نسل های آینده مواد به هدایت کامل، شبیه به ابررسانایی منجر شود. »

برای بررسی این یافته ها، تیم طیف انرژی درون کریستال را اندازه گیری کرد، به همراه هستفاده از یک نسخه مدرن از یک اثر که ابتدا توسط Heinrich Hertz کشف شده هست و توسط اینشتین، که به عنوان اثر فوتوالکتریک شناخته شده هست، توضیح داده شده هست.

"اساسا، الکترون ها ابتدا از سطح مواد خارج می شوند و سپس به عنوان یک عامل از زاویه افتادن و انرژی جنبشی شناسایی می شوند." ریکاردو کمین، هستادیار فیزیک در MIT می گوید. تصاویر حاصل از آنها یک تصویر بسیار مستقیم از سطوح الکترونیکی که توسط الکترون ها اشغال می شوند، و در این مورد آنها ایجاد ذرات تقریبه همراه بدون جرم "دیاراک"، نسخه الکتریکی فوتون، کوبه ای از نور "را نشان می دهد.

طیف ها نشان داد که الکترون ها از طریق کریستال جریان دارند به طوری که به نظر می رسد که الکترون های بی مایه ی اولیه یک توده نسبیت یافته را به دست آوردند، شبیه به ذرات شناخته شده به عنوان فرمیون های عظیم دیراک. از لحاظ تئوری، این هست که به همراه حضور اتم های آهن و قلع تشکیل دهنده شبکه می شود. اولیها مغناطیسی هستند و به همراهعث "دستیابی" یا کریستال می شوند. اینها دارای به همراهر سنگین تر هسته ای هستند که یک میدان الکتریکی محلی بزرگ تولید می کنند. به عنوان جریان جریان خارجی جریان می یابد، قلع قلع را نه به عنوان میدان الکتریکی بلکه به عنوان یک مغناطیسی حس می کند و خم می شود.

تیم تحقیقاتی توسط چکلسکی و کمین و دانشجویان فارغ التحصیل لیندا ی و مینگ گوانگ کینگ در کنار لیانگ فو، هستاد دانشکده فیزیک بیدننار و جونوی لیو پس از مدرک اداره شد. این تیم همچنین شامل کریستینا ویکر ۱۷، دانشمند پژوهشی Takehito Suzuki از MIT، فلیکس فون کوب و دیوید بل از هاروارد و کریس جوزویک، آرون بوستویک و الی راتنبرگ از آزمایشگاه ملی لارنس برکلی هست.

"هیچ کیمیاگری لازم نیست"

فیزیکدانان برای دهه ها تئوری کرده اند که مواد الکترونیکی می توانند رفتار خلوتگاه کوانتومی بی نظیر را به همراه شخصیت مغناطیسی ذاتی و هندسه ی شبکهای خود پشتیبه همراهنی کنند. چندین سال پیش، پژوهشگران پیشرفت در تحقق این مواد را نپذیرفتند.

"فردی متوجه شد که چرا سیستم را از چیزی مغناطیسی نمی گیرد و سپس مغناطیس ذاتی سیستم ممکن هست این رفتار را برانگیزد،" چکلسکی می گوید که در آن زمان به عنوان یک محقق در دانشگاه توکیو کار می کرد.

این نیاز به زمینه های آزمایشگاهی تولید شده، که معمولا ۱ میلیون به همراهر قویتر از میدان مغناطیسی زمین هست، مورد نیاز برای مشاهده این رفتار حذف شده هست.

"چندین گروه تحقیقاتی توانستند اثر Hall effect Quantum Hall را اینگونه تحریک کنند، اما هنوز هم در درجه حرارت فوق العاده، چند درجه به همراهلاتر از صفر مطلق – نتیجه مغناطیس گرایی شبیه سازی شده به موادی هست که به طور طبیعی رخ نداده هست."

در MIT، چکلسیکی به جای آن روشهایی را برای رانندگی این رفتار به همراه «مغناطیس جوشی» جستجو کرده هست. یک بینش کلیدی، که توسط کار دکترا از Evelyn Tang PhD '15 و پروفسور Xiao-Gang Wen مطرح شده بود، این بود که این رفتار را در شبکه کیجوم. برای انجام این کار، نویسنده ی اول، آهن و قلع را به هم متصل می کند، سپس پودر حاصل از آن را در یک کوره حرارت داده و کریستال ها را در حدود ۷۵۰ درجه سانتیگراد تولید می کند – درجه حرارت که در آن اتم های آهن و قلع ترجیح می دهند در یک الگوی کگل مانند ترتیب دهند. سپس کریستال ها را در یک حمام یخ فرو ریخت تا الگوهای شبکه بتوانند در دمای اتاق به همراهقی بمانند.

"الگوی کاگومه دارای فضاهای خالی بزرگ هست که ممکن هست آسان به همراهفتن به همراهفتنی به همراهشد، اما اغلب در جامدات کریستالی که بهترین بسته بندی اتم ها را ترجیح می دهند، ناپایدار هستند". "این ترفند در اینجا این بود که این حفره ها را به همراه نوع دوم اتم در یک ساختار که حداقل در دمای به همراهلا پایدار بود، پر کند. درک این مواد کوانتومی به کیمیاگری نیاز ندارد، بلکه به جای علم مواد و صبر و شکیبه همراهیی "

خم شدن و از بین رفتن صفر انرژی

هنگامی که محققان چندین نمونه از کریستال ها را تولید کردند، هر یک در حدود یک میلیمتر عرض، نمونه ها را به همکاران در دانشگاه هاروارد فرستادند، که به همراه هستفاده از میکروسکوپ الکترونی عبور الکترونها، لایه های اتمی فرد را درون هر کریستال تصویر کردند. تصاویر حاصل شده نشان می دهد که ترتیب اتم های آهن و قلع در هر لایه، شبه همراههت هایی به الگوهای مثلثی شبکه کیژوم دارد. به طور خاص، اتم های آهن در گوشه های هر مثلث قرار گرفتند، در حالی که یک اتم قلع درون فضای شش ضلعی بزرگ که بین مثلث های درهم آمیخته ایجاد شده بود، نشسته بود.

سپس یک جریان الکتریکی را از طریق لایه های بلوری پخش کرد و جریان خود را از طریق ولتاژ های الکتریکی که تولید می کردند کنترل کردند. او متوجه شد که اتهامات اخطار به شیوه ای که به نظر می رسد دو بعدی هست، به همراه وجود ماهیت سه بعدی کریستال ها. اثبه همراهت قطعی از آزمایشات فوتوالکتریک که توسط اولین نویسنده کانگ انجام شده بود، که در رقابت به همراه تیم LBNL توانست نشان دهد که طیف های الکترونیکی به طور الکترونی دو بعدی مؤثر بودند.

"همانطور که در نزدیک گروههای الکترونیکی نگاه کردیم، ما چیزی غیرعادی را متوجه شدیم،" کانگ افزود. "الکترون ها در این مواد مغناطیسی به عنوان ذرات عظیم دیراک رفتار می کردند، چیزی که پیش از آن پیش بینی شده بود اما قبلا در این سیستم ها دیده نشده هست"

"توانایی منحصر به فرد این مواد برای همگام سازی مغناطیس و توپولوژی نشان می دهد که آنها ممکن هست به خوبی به همراهعث ایجاد سایر پدیده های شدید"، کمین می گوید. هدف بعدی ما کشف و دستکاری در حالتهای لبه هست که بسیار نتیجه ماهیت توپولوژیکی این فازهای جدید کوانتومی جدید کشف شده هست.

به دنبه همراهل بیشتر، تیم در حال حاضر در حال بررسی راه هایی برای تثبیت ساختارهای شبکه های کوگوم بسیار دو بعدی هست. چنین مواد، اگر بتوان آنها را سنتز کرد، می تواند مورد هستفاده قرار گیرد نه تنها برای کشف دستگاه هایی که دارای تلفات صفر صفر هستند، مانند خطوط برق ناپایدار، بلکه برنامه های کاربردی برای محاسبه همراهت کوانتومی.

"چکشلیس می گوید:" برای جهت های جدید در علوم اطلاعات کوانتومی، علاقه زیادی به مدارهای کوانتومی جدید به همراه مسیرهایی که بدون جریان و کریال هستند، در حال افزایش هست. " "این فلزات kagome ارائه راه جدید طراحی مواد برای تحقق این سیستم عامل جدید برای مدارهای کوانتومی"

این تحقیق بخشی از بورد گوردون و بتی مور و بنیاد ملی علوم بود.

دانلود آهنگ مسعود صادقلو ما به هم میایم