In een nieuw experiment hebben natuurkundigen kwantumcoherentie-effecten over lange afstand waargenomen als gevolg van Aharonov-Bohm-interferentie in een op topologisch isolator gebaseerd apparaat. Deze bevinding opent een nieuw rijk van mogelijkheden voor de toekomstige ontwikkeling van topologische kwantumfysica en -techniek.

Deze bevinding zou ook van invloed kunnen zijn op de ontwikkeling van op spin gebaseerde elektronica, die mogelijk enkele huidige elektronische systemen kan vervangen voor een hogere energie-efficiëntie en nieuwe platforms kan bieden om de kwantuminformatiewetenschap te verkennen.

Het onderzoek, gepubliceerd in het nummer van 20 februari van Nature Physics is het resultaat van meer dan 15 jaar werk bij Princeton. Het ontstond toen wetenschappers uit Princeton een kwantumapparaat ontwikkelden, een zogenaamde bismutbromide (α-Bi₄ Br₄ ) topologische isolator – slechts een paar nanometer dik en gebruikte deze om kwantumcoherentie te onderzoeken.

Wetenschappers gebruiken al meer dan tien jaar topologische isolatoren om nieuwe kwantumeffecten aan te tonen. Het Princeton-team ontwikkelde hun op bismut gebaseerde isolator in een eerder experiment, waarbij ze de effectiviteit ervan bij kamertemperatuur aantoonden.

Maar dit nieuwe experiment is de eerste keer dat deze effecten zijn waargenomen met een kwantumcoherentie over zeer lange afstanden en bij een relatief hoge temperatuur. Het induceren en observeren van coherente kwantumtoestanden vereist doorgaans temperaturen rond het absolute nulpunt op kunstmatig ontworpen halfgeleidende materialen, alleen in de aanwezigheid van sterke magnetische velden.

"Onze experimenten leveren overtuigend bewijs voor het bestaan ​​van kwantumcoherentie op lange termijn in topologische scharniermodi, waardoor nieuwe wegen worden geopend voor de ontwikkeling van topologische circuits en deze topologische methode wordt gebruikt om de fundamentele fysica te verkennen en vooruit te helpen", aldus M. Zahid Hasan. , de Eugene Higgins hoogleraar natuurkunde aan de Princeton University, die het onderzoek leidde.

"In tegenstelling tot conventionele elektronische apparaten zijn topologische circuits robuust tegen defecten en onzuiverheden, waardoor ze veel minder gevoelig zijn voor energiedissipatie, wat voordelig is voor groenere toepassingen."

Topologische toestanden van materie en coherentie

De afgelopen jaren heeft de studie van topologische toestanden van materie aanzienlijke aandacht getrokken onder natuurkundigen en ingenieurs en is momenteel het middelpunt van veel internationale belangstelling en onderzoek. Dit studiegebied combineert kwantumfysica met topologie:een tak van de theoretische wiskunde die geometrische eigenschappen onderzoekt die kunnen worden vervormd maar niet intrinsiek kunnen worden veranderd.

Het belangrijkste apparaat dat wordt gebruikt om de mysteries van de kwantumtopologie te onderzoeken, wordt een topologische isolator genoemd. Dit is een uniek apparaat dat binnenin als isolator fungeert, wat betekent dat de elektronen binnenin niet vrij kunnen bewegen en dus geen elektriciteit geleiden. De elektronen aan de randen van het apparaat kunnen echter vrij bewegen, wat betekent dat ze geleidend zijn.

Bovendien worden de elektronen die langs de randen stromen, vanwege de bijzondere eigenschappen van de topologie, niet gehinderd door defecten of vervormingen. Een speciaal type topologie is ook mogelijk in bepaalde op bismut gebaseerde materialen waarbij sommige randen open kunnen zijn en slechts enkele scharnieren geleidend blijven.

Een apparaat gemaakt van dergelijke topologische materialen heeft niet alleen het potentieel om de technologie te verbeteren, maar ook om een ​​beter begrip van de materie zelf te genereren door kwantumeigenschappen op nieuwe en innovatieve manieren te onderzoeken.

Tot nu toe was het onvermogen om lange coherentietijden te bereiken echter een groot struikelblok in de zoektocht om de materialen te gebruiken voor toepassingen in functionele apparaten. Coherentie verwijst naar het vermogen om de kwantumtoestanden van superpositie en verstrengeling in stand te houden ondanks ontwrichtende invloeden, zoals thermalisatie of andere interacties met de omgeving.

"Er is veel belangstelling voor topologische materialen, en mensen praten vaak over hun grote potentieel voor praktische toepassingen", zegt Hasan, "maar totdat kan worden aangetoond dat een macroscopisch kwantumtopologisch effect een lange kwantumcoherentie heeft, die ook op relatief hoge niveaus kan werken." temperaturen zullen deze toepassingen waarschijnlijk niet gerealiseerd blijven. Daarom zijn we op zoek naar materialen die kwantumcoherentie over lange afstanden van topologische elektronen vertonen."

Het huidige experiment

Het team van Hasan onderzoekt al bijna twintig jaar topologische materialen op basis van bismut. Onlangs ontdekte het team echter dat de bismutbromide-isolator eigenschappen heeft die hem idealer maken in vergelijking met op bismut gebaseerde topologische isolatoren (inclusief Bi-Sb-legeringen) die ze sinds 2005 hadden bestudeerd. Het heeft een grote isolatieafstand van meer dan 200 meV. (milli-elektronvolt). Dit is groot genoeg om thermische ruis te ondervangen, maar klein genoeg om het spin-orbit-koppelingseffect en de bandinversietopologie niet te verstoren.

Bismutbromide-isolatoren behoren tot een klasse van topologische isolatoren die ook effecten van hoge orde vertonen waarvan de oppervlakken isolerend worden, maar de randen van sommige door symmetrie gedicteerde oriëntaties blijven geleidend. Dit worden scharniertoestanden genoemd, die onlangs zijn getheoretiseerd door de groep van medewerker en co-auteur Titus Neupert aan de Universiteit van Zürich.

"Hoewel het in theorie niet gegarandeerd was, ontdekten we door meerdere jaren van experimenteren dat de scharniertoestanden van bismutbromide een kwantumcoherentie over een zeer lange afstand hebben bij relatief hoge temperaturen. In dit geval vonden we in onze experimenten op basis van de apparaten die we hadden gefabriceerd een balans tussen spin-baankoppelingseffecten, kwantumcoherentie op lange afstand en thermische fluctuaties”, aldus Hasan.

"We ontdekten dat er een 'sweet spot' is waar je een relatief hoge mate van kwantumcoherentie van de topologische scharniermodi kunt hebben en ook bij een relatief hoge temperatuur kunt werken. Het is een soort balanspunt voor de op bismut gebaseerde materialen die we gebruiken studeren al bijna twintig jaar."

Met behulp van een scanning tunneling microscoop observeerden de onderzoekers een duidelijke kwantumspin-Hall-randtoestand, wat een van de belangrijke eigenschappen is die uniek is in topologische systemen. Dit vereiste aanvullende nieuwe instrumenten om het topologische effect op unieke wijze te isoleren.

Hoewel bismut zo'n kwantumtoestand herbergt, is het materiaal zelf een halfmetaal zonder enige isolerende energiekloof. Dit maakt het moeilijk om de consequenties ervan voor het elektronentransport te onderzoeken, omdat in bismut de transportkanalen elektronen bevatten uit zowel de bulk- als de scharniertoestanden. Ze vermengen en vervagen het coherente kwantumtransportsignaal van de scharniertoestanden.

Een ander probleem wordt veroorzaakt door wat natuurkundigen 'thermische ruis' noemen, wat wordt gedefinieerd als een zodanige temperatuurstijging dat de atomen hevig beginnen te trillen. Deze actie kan delicate kwantumsystemen ontwrichten, waardoor de kwantumtoestand instort. Met name bij topologische isolatoren creëren deze hogere temperaturen een situatie waarin de elektronen op het oppervlak van de isolator het inwendige, of de "bulk", van de isolator binnendringen en ervoor zorgen dat de elektronen daar ook gaan geleiden, wat verdunt of breekt. het speciale kwantumeffect. Thermische fluctuaties vernietigen ook de kwantumfasecoherentie van elektronen.

Maar de door het team ontwikkelde bismutbromide-isolator kon deze en andere problemen omzeilen. Ze gebruikten het apparaat om kwantumcoherent transport door de topologische scharniermodi te demonstreren. Een kenmerk van kwantumcoherent transport is de manifestatie van de kwantuminterferentie van Aharonov-Bohm.

De Aharonov-Bohm-interferentie, die bijna 60 jaar geleden werd voorspeld (natuurkundige David Bohm was van 1947 tot 1951 in Princeton), beschrijft een fenomeen waarbij een kwantumgolf in twee golven wordt gesplitst die een gesloten pad volgen en interfereren onder invloed van een elektromagnetische golf. potentieel.

Het resulterende interferentiepatroon wordt bepaald door de magnetische flux die door de golven wordt omsloten. In het geval van elektronen treedt een dergelijke kwantuminterferentie op als de geleidingselektronen fasecoherent blijven na het voltooien van gesloten trajecten, resulterend in een periodieke oscillatie in elektrische weerstand met een karakteristieke periode van het magnetische veld ΔB = Φ₀ /S, waarbij Φ₀  = h/e is het fluxkwantum, S is het gebied waarover de elektronenbanen fasecoherent blijven, h is de constante van Planck en e is de elektronenlading.

Voor de topologische geleidingskanalen omsluiten alle fasecoherente trajecten die deelnemen aan de kwantuminterferentie hetzelfde gebied loodrecht op het B-veld, wat verschilt van de universele geleidingsfluctuaties. Hier presenteren ze magnetoweerstandssporen van de α-Bi₄ Br₄ monsters die B-periodieke oscillaties laten zien, het kenmerk van het Aharonov-Bohm-effect dat voortkomt uit fase-coherente dragers.

"Voor de eerste keer hebben we aangetoond dat er een klasse van op bismut gebaseerde topologische elektronenapparaten bestaat die een hoge mate van kwantumcoherentie kunnen hebben die kan overleven tot relatief hoge temperaturen, wat te wijten is aan het Aharonov-Bohm-interferentie-effect dat voortkomt uit fase-coherente topologische elektronen," zei Hasan.

De topologische wortels van de ontdekking liggen in de werking van het quantum Hall-effect – een vorm van topologisch effect die het onderwerp was van de Nobelprijs voor de natuurkunde in 1985. Sinds die tijd zijn topologische fasen intensief bestudeerd.

Er zijn veel nieuwe klassen kwantummaterialen met topologische elektronische structuren gevonden, waaronder topologische isolatoren, topologische supergeleiders, topologische magneten en Weyl-semimetalen. Experimentele en theoretische ontdekkingen zijn beide voortgezet.

Daniel Tsui, de Arthur Legrand Doty emeritus hoogleraar elektrotechniek aan Princeton, won in 1998 de Nobelprijs voor de natuurkunde voor het ontdekken van het fractionele kwantum Hall-effect, en F. Duncan Haldane, de Eugene Higgins hoogleraar natuurkunde aan Princeton, won de Nobelprijs 2016 in de natuurkunde voor theoretische ontdekkingen van topologische fase-overgangen en een type tweedimensionale (2D) topologische isolatoren.

Daaropvolgende theoretische ontwikkelingen lieten zien dat topologische isolatoren de vorm kunnen aannemen van twee kopieën van het model van Haldane, gebaseerd op de spin-baaninteractie van het elektron.

Hasan en zijn team zijn al tien jaar op zoek naar een topologische kwantumtoestand die ook bij relatief hoge temperaturen een hoge mate van kwantumcoherentie kan behouden, na hun ontdekking van de eerste voorbeelden van driedimensionale topologische isolatoren in 2007.

Onlangs hebben ze een oplossing gevonden voor het vermoeden van Haldane in een topologisch materiaal dat bij kamertemperatuur kan werken en dat ook de gewenste kwantisering vertoont.

"Een geschikte atomaire chemie en structuurontwerp gekoppeld aan de theorie van de eerste beginselen is de cruciale stap om de speculatieve voorspelling van de topologische isolator realistisch te maken in een apparaatomgeving om een ​​lange kwantumcoherentie te behouden", aldus Hasan.

"Er zijn veel bi-gebaseerde topologische materialen, en we hebben zowel intuïtie, ervaring, materiaalspecifieke berekeningen als intense experimentele inspanningen nodig om uiteindelijk het juiste materiaal te vinden voor diepgaande verkenning in een apparaatomgeving. En dat kostte ons tien jaar... lange reis van het onderzoeken van enkele op bismut gebaseerde materialen die uiteindelijk lijken te werken."

Implicaties voor kwantummaterialen

"Wij geloven dat deze bevinding het startpunt kan zijn van toekomstige ontwikkelingen op het gebied van kwantumtechniek en nanotechnologie", zegt Shafayat Hossain, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in het laboratorium van Hasan en mede-eerste auteur van het onderzoek.

"Er zijn zoveel voorgestelde mogelijkheden in de topologische kwantumwetenschap en technische technologie die wachten, en het vinden van geschikte materialen met lange kwantumcoherentie-eigenschappen in combinatie met nieuwe instrumentatie is hiervoor een van de sleutels. En dat is wat we hebben bereikt."

"Als de elektronen niet rondstuiteren of in beweging zijn, verliezen ze geen energie", zegt Hasan. "Dit creëert een kwantumbasis voor energiebesparing of groenere technologieën omdat ze veel minder stroom verbruiken. Maar dit is nog ver weg."

Momenteel is de theoretische en experimentele focus van Hasans team geconcentreerd in twee richtingen, zei Hasan. Ten eerste willen de onderzoekers bepalen welke andere topologische materialen een vergelijkbaar of hoger niveau van kwantumcoherentie kunnen vertonen, en, belangrijker nog, andere wetenschappers de tools en nieuwe instrumentatiemethoden bieden om deze materialen te identificeren die bij hogere temperaturen zullen werken.

Ten tweede willen de onderzoekers dieper in de kwantumwereld blijven duiken en zoeken naar nieuwe fysica in een apparaatomgeving. Deze studies zullen de ontwikkeling vereisen van een nieuwe reeks nieuwe instrumenten, technieken en topologische apparaten om het enorme potentieel van deze wondermaterialen volledig te kunnen benutten.

Nan Yao, co-auteur van het artikel met de titel ‘Quantum transport response of topological hinge modes’, en professor in de praktijk aan het Princeton Materials Institute, vatte het onderzoek samen door te zeggen:‘Dit werk aan topologische isolatoren van hogere orde is een voorbeeld van de schoonheid en het belang van het ontdekken van nieuwe facetten van de natuur, zoals de kwantumcoherentie van topologische scharniertoestanden."

"Het is een ontdekking die mogelijk zou kunnen leiden tot opwindende ontwikkelingen op het gebied van kwantumapparaten, en ik moet denken aan het beroemde citaat van Einstein:'Het mooiste wat we kunnen ervaren is het mysterieuze. Het is de bron van alle ware kunst en wetenschap.'"

Meer informatie: Md Shafayat Hossain et al, Kwantumtransportrespons van topologische scharniermodi, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02388-1

Aangeboden door Princeton University