خلاصه خبر:
فیزیکدانان دانشگاه پرینستون یک اثر کوانتومی جدید به نام "توپولوژی ترکیبی" را در یک ماده کریستالی ساخته شده از اتم های آرسنیک کشف کرده اند. آنها با استفاده از یک میکروسکوپ STM و طیف‌سنجی انتشار نوری دریافتند که این ماده، ترکیبی از حالت‌های لبه و حالت‌های سطحی را نشان می‌دهد که قبلاً به طور جداگانه مشاهده می‌شدند. این کشف فرصت‌هایی را برای توسعه مواد و فناوری‌های کارآمد در علم و مهندسی کوانتومی باز می‌کند. این اولین بار است که اثرات توپولوژیکی در کریستال‌های آرسنیک مشاهده می‌شود که سیستم مواد ساده‌تری را برای مطالعه این پدیده‌ها فراهم می‌کند. هدف محققان این است که پتانسیل اثرات توپولوژیکی را در دماهای بالاتر و در کاربردهای عملی با پیامدهایی برای اطلاعات کوانتومی و دستگاه‌های محاسباتی بررسی کنند.
توضیحات تکمیلی:
فیزیکدانان دانشگاه پرینستون به کشف غیرمنتظره ای از یک اثر کوانتومی جدید به نام "توپولوژی ترکیبی" در یک ماده کریستالی دست یافته اند. محققان دریافتند که یک کریستال جامد ساخته شده از اتم‌های آرسنیک، شکلی از رفتار کوانتومی توپولوژیکی را نشان می‌دهد که قبلاً مشاهده نشده بود. این کشف با استفاده از میکروسکوپ تونلی روبشی یا همان STM و طیف‌سنجی انتشار نوری انجام شد. توپولوژی ترکیبی دو نوع رفتار کوانتومی توپولوژیکی، حالت های لبه و حالت های سطحی را ترکیب می کند که قبلا به طور جداگانه مشاهده می شد اما هرگز به طور همزمان در یک ماده مشاهده نمی شد. این کشف فرصت‌های جدیدی را برای توسعه مواد و فناوری‌های کارآمد برای علم و مهندسی کوانتومی نسل بعدی باز می‌کند.
حالت‌های توپولوژیکی ماده، که ترکیبی از فیزیک کوانتومی و توپولوژی است، منطقه‌ای مورد توجه فیزیکدانان و مهندسان بوده است. این مواد دارای خواص منحصر به فردی هستند که می توان آنها را برای کاربردهای مختلف در علوم و مهندسی کوانتوم استفاده کرد. در حالی که عایق های توپولوژیکی مبتنی بر بیسموت در گذشته به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته اند، این آزمایش اولین بار است که اثرات توپولوژیکی در کریستال های ساخته شده از آرسنیک مشاهده شده است.
محققان بر این باورند که کشف توپولوژی ترکیبی در کریستال‌های آرسنیک می‌تواند به جهت‌گیری‌های جدید تحقیقاتی و اکتشاف مواد عنصری ساده‌تر منجر شود که می‌توانند میزبان پدیده‌های توپولوژیکی باشند. هدف نهایی یافتن موادی است که بتوانند اثرات توپولوژیکی را در دماهای بالاتر و در کاربردهای عملی نشان دهند. علاوه بر این، محققان در حال بررسی راه هایی برای زنده ماندن این اثرات در دمای اتاق هستند.
این مطالعه بر اساس تحقیقات قبلی بر روی مراحل توپولوژیکی ماده، از جمله اثر کوانتومی هال و کشف عایق های توپولوژیکی است. با بررسی جنبه‌های مختلف عایق‌های توپولوژیکی و جست‌وجوی حالت‌های جدید ماده، محققان در طول سال‌ها سهم قابل توجهی در این زمینه داشته‌اند. استفاده از کریستال‌های آرسنیک در این آزمایش، سیستم مواد تمیزتر و ساده‌تری را برای مطالعه اثرات توپولوژیکی ارائه می‌دهد.
مشاهده توپولوژی هیبریدی یا همان ترکیبی در بلورهای آرسنیک پیامدهایی برای تحقیقات اساسی و کاربردهای عملی دارد. این کشف، امکاناتی را برای طراحی اطلاعات کوانتومی جدید و دستگاه‌های محاسباتی بر اساس کانال‌های انتقال الکترون توپولوژیکی باز می‌کند. همچنین یک پلت فرم مواد جدید برای توسعه مواد توپولوژیکی جدید و دستگاه های کوانتومی فراهم می کند. محققان بر این باورند که آرسنیک با توپولوژی منحصر به فرد خود می تواند منجر به ایجاد مواد جدید و فناوری های کوانتومی شود که در حال حاضر از طریق پلتفرم های موجود غیرقابل دسترسی هستند.
به طور کلی، این یافته غیرمنتظره از توپولوژی ترکیبی در کریستال‌های آرسنیک، درک ما را از رفتار کوانتومی توپولوژیکی گسترش می‌دهد و راه‌های امیدوارکننده‌ای را برای پیشرفت در علم و مهندسی کوانتومی ارائه می‌دهد.
منبع
M. Zahid Hasan, A hybrid topological quantum state in an elemental solid, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07203-8. www.nature.com/articles/s41586-024-07203-8
