محققان دانشگاه رایس به رهبری Qimiao Xi یک حالت کوانتومی منحصر به فرد از ماده را کشف کرده اند که ممکن است دو حوزه کلیدی فیزیک را ترکیب کند: ماده کوانتومی و توپولوژی الکترونیکی.
این کشف منتشر شده در Nature Physics میتواند مبنایی برای ایجاد دستگاههای کوانتومی جدید، از جمله حسگرهای بسیار دقیق، سیستمهای محاسباتی کارآمد انرژی و مواد جدید باشد.
شی، پروفسور هری کی و اولگا کی ویس در فیزیک و نجوم، گفت: “این یک پیشرفت اساسی است. کار ما نشان می دهد که اثرات کوانتومی قوی می توانند برای تولید خواص کاملاً جدید برهمکنش کنند و راه را برای فناوری های آینده هموار کنند.”
اهمیت کوانتومی و توپولوژیکی
حد کوانتومی رفتار الکترونها را هنگام نوسان بین فازهای مختلف، مانند آبی که در شرف یخ زدن یا جوشیدن است، توصیف میکند. توپولوژی در فیزیک کوانتومی، پیکربندی پایدار تابع موج الکترونیکی را که با تغییر ساختار ماده حفظ میشود، مطالعه میکند. پیش از این، این پدیده ها به طور جداگانه مورد مطالعه قرار گرفتند: توپولوژی در مواد با برهمکنش ضعیف، و بحرانی بودن در سیستم هایی با الکترون های بسیار همبسته یافت شد.
تیم شی یک مدل نظری ارائه کردند که این اثرات را یکپارچه می کند. آنها نشان دادند که برهمکنش های قوی بین الکترون ها می تواند رفتار توپولوژیکی را آغاز کند و یک حالت ترکیبی ایجاد کند.
لی چن، دانشجوی فارغ التحصیل دانشگاه رایس و یکی از نویسندگان مقاله، می گوید: «ما از اینکه خود بحرانی کوانتومی می تواند اثرات توپولوژیکی در برهمکنش های قوی ایجاد کند، شگفت زده شدیم.
تایید تست
نتایج نظری توسط آزمایشگران دانشگاه فنی وین به رهبری سیلکه پاسچن تأیید شد. آنها ماده ای را با فرمیون های سنگین مورد مطالعه قرار دادند – الکترون های موجود در آن به دلیل برهم کنش ها مانند ذرات بسیار سنگین تر رفتار می کنند. رفتار مشاهده شده با پیش بینی های تیم نظری مطابقت دارد و نشانه هایی از وضعیت کوانتومی توپولوژیکی جدید را نشان می دهد.
پتانسیل فناوری
ترکیب بحرانی کوانتومی و توپولوژی فرصت هایی را برای توسعه فناوری کوانتومی باز می کند. خواص توپولوژیکی مقاومت در برابر تأثیرات خارجی را ایجاد می کند و بحرانی بودن درهم تنیدگی کوانتومی را افزایش می دهد و سیستم ها را حساس تر و قابل کنترل تر می کند. این برای سنسورهای کم مصرف، ابررساناها و دستگاه های محاسباتی مهم است.
شی توضیح می دهد: “نتایج ما یک شکاف در فیزیک ماده متراکم را پر می کند. برهم کنش های الکترونیکی قوی خواص توپولوژیکی را از بین نمی برند، اما می توانند آنها را ایجاد کنند. این وضعیت جدیدی از اهمیت عملی را برای این فناوری باز می کند.”
این چگونه به ایجاد مواد جدید کمک می کند؟
این کشف امکان جستجو یا طراحی سیستماتیک مواد را در نقطه بحرانی کوانتومی و قادر به تشکیل ساختارهای توپولوژیکی فراهم می کند. این رویکرد به دانشمندان ابزاری برای توسعه موادی با خواص کوانتومی قابل پیشبینی و پتانسیل بهبود عملکرد الکترونیک و حسگرها میدهد.
شی افزود: درک اینکه کجا باید این اثرات را جستجو کنیم به ما این فرصت را می دهد که از نظریه به فناوری عملی مبتنی بر فیزیک کوانتومی بنیادی برویم.