Đại học Princeton

Sơ đồ biểu diễn sự giao thoa lượng tử của chuyển động tôpô của các electron dọc theo bản lề mẫu cho phép đối xứng. Nhà cung cấp hình ảnh: Shafayat Hossain, cộng tác viên nghiên cứu sau tiến sĩ trong nhóm Zahid Hasan tại Đại học Princeton

Trong một thí nghiệm mới, các nhà vật lý đã quan sát thấy các hiệu ứng kết hợp lượng tử tầm xa do sự giao thoa Aharonov-Bohm trong một thiết bị dựa trên chất cách điện tôpô. Phát hiện này mở ra một lĩnh vực mới về khả năng phát triển trong tương lai của vật lý và kỹ thuật lượng tử tôpô.

Phát hiện này cũng có thể ảnh hưởng đến sự phát triển các thiết bị điện tử dựa trên spin, chúng có khả năng thay thế một số hệ thống điện tử hiện tại để có hiệu suất năng lượng cao hơn và có thể cung cấp các nền tảng mới để khám phá khoa học thông tin lượng tử.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Vật lý Tự nhiên số ra ngày 20 tháng 2, là đỉnh cao của hơn 15 năm làm việc tại Princeton. Nó xuất hiện khi các nhà khoa học Princeton phát triển một thiết bị lượng tử – gọi là chất cách điện tôpô bismuth bromide (α-Bi ₄ Br ₄ ) – chỉ dày vài nanomet và sử dụng nó để nghiên cứu sự kết hợp lượng tử.

Các nhà khoa học đã sử dụng các chất cách điện tôpô để chứng minh các hiệu ứng lượng tử mới trong hơn một thập kỷ. Nhóm Princeton đã phát triển chất cách điện dựa trên bismuth trong một thí nghiệm trước đó, nơi họ chứng minh tính hiệu quả của nó ở nhiệt độ phòng.

Nhưng thí nghiệm mới này là lần đầu tiên những hiệu ứng này được quan sát thấy với sự kết hợp lượng tử tầm xa và ở nhiệt độ tương đối cao. Việc tạo ra và quan sát các trạng thái lượng tử kết hợp thường đòi hỏi nhiệt độ gần độ không tuyệt đối trên các vật liệu bán dẫn được thiết kế nhân tạo chỉ khi có từ trường mạnh.

M. Zahid Hasan cho biết: “Các thí nghiệm của chúng tôi cung cấp bằng chứng thuyết phục cho sự tồn tại của sự kết hợp lượng tử tầm xa trong các chế độ bản lề tôpô, do đó mở ra những con đường mới hướng tới sự phát triển của mạch tôpô cũng như sử dụng phương pháp tôpô này để khám phá và nâng cao vật lý cơ bản”. , Giáo sư Vật lý Eugene Higgins tại Đại học Princeton, người đứng đầu nghiên cứu.

“Không giống như các thiết bị điện tử thông thường, các mạch tôpô có khả năng chống lại các khiếm khuyết và tạp chất mạnh mẽ, khiến chúng ít bị tiêu tán năng lượng hơn, điều này có lợi cho các ứng dụng xanh hơn”.

Các trạng thái tôpô của vật chất và sự kết hợp

Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các trạng thái tôpô của vật chất đã thu hút được sự chú ý đáng kể của các nhà vật lý và kỹ sư và hiện đang là tâm điểm của nhiều sự quan tâm và nghiên cứu quốc tế. Lĩnh vực nghiên cứu này kết hợp vật lý lượng tử với cấu trúc liên kết—một nhánh của toán học lý thuyết khám phá các tính chất hình học có thể bị biến dạng nhưng không thay đổi về bản chất.

Thiết bị chính được sử dụng để nghiên cứu những bí ẩn của cấu trúc liên kết lượng tử được gọi là chất cách điện tôpô. Đây là một thiết bị độc đáo hoạt động như một chất cách điện bên trong, có nghĩa là các electron bên trong không thể tự do di chuyển và do đó không dẫn điện. Tuy nhiên, các electron trên các cạnh của thiết bị có thể tự do di chuyển xung quanh, nghĩa là chúng có tính dẫn điện.

Hơn nữa, do các tính chất đặc biệt của cấu trúc liên kết, các electron chạy dọc theo các cạnh không bị cản trở bởi bất kỳ khuyết tật hoặc biến dạng nào. Một loại cấu trúc liên kết đặc biệt cũng có thể có trong một số vật liệu dựa trên bitmut nhất định, trong đó một số cạnh có thể bị hở và chỉ một số bản lề vẫn dẫn điện.

Một thiết bị làm từ những vật liệu tôpô như vậy không chỉ có tiềm năng cải tiến công nghệ mà còn tạo ra sự hiểu biết sâu sắc hơn về bản thân vật chất bằng cách thăm dò các đặc tính lượng tử theo những cách mới và sáng tạo.

Tuy nhiên, cho đến nay, việc không thể đạt được thời gian kết hợp lâu đã là trở ngại lớn trong nỗ lực sử dụng vật liệu cho các ứng dụng trong các thiết bị chức năng. Sự kết hợp đề cập đến khả năng duy trì các trạng thái chồng chất và vướng víu lượng tử khi đối mặt với các ảnh hưởng đột phá, chẳng hạn như nhiệt độ hoặc các tương tác khác với môi trường.

Hasan nói: “Có rất nhiều sự quan tâm đến các vật liệu tôpô và mọi người thường nói về tiềm năng to lớn của chúng đối với các ứng dụng thực tế, nhưng cho đến khi một số hiệu ứng tôpô lượng tử vĩ mô có thể được chứng minh là có sự kết hợp lượng tử lâu dài cũng có thể hoạt động ở mức tương đối cao.” nhiệt độ, những ứng dụng này có thể sẽ vẫn chưa được thực hiện. Do đó, chúng tôi đang tìm kiếm các vật liệu thể hiện sự kết hợp lượng tử tầm xa của các electron tôpô."

Thí nghiệm hiện tại

Nhóm của Hasan đã khám phá các vật liệu tôpô dựa trên bismuth trong gần hai thập kỷ. Tuy nhiên, gần đây, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng chất cách điện bismuth bromide có những đặc tính khiến nó trở nên lý tưởng hơn so với các chất cách điện tôpô dựa trên bismuth (bao gồm cả hợp kim Bi-Sb) mà họ đã nghiên cứu từ năm 2005. Nó có khe cách điện lớn hơn 200 meV (mill-electron volt). Nó đủ lớn để khắc phục nhiễu nhiệt, nhưng đủ nhỏ để không phá vỡ hiệu ứng ghép quỹ đạo quay và cấu trúc liên kết đảo ngược dải.

Chất cách điện bismuth bromide thuộc loại chất cách điện tôpô cũng thể hiện hiệu ứng bậc cao mà bề mặt của chúng trở nên cách điện, nhưng các cạnh của một số hướng được quy định đối xứng vẫn dẫn điện. Chúng được gọi là các trạng thái bản lề mới được đưa ra giả thuyết gần đây bởi nhóm cộng tác viên và đồng tác giả Titus Neupert tại Đại học Zurich.

“Mặc dù về mặt lý thuyết không được đảm bảo, nhưng qua nhiều năm thử nghiệm, chúng tôi đã phát hiện ra rằng các trạng thái bản lề của bismuth bromide có sự kết hợp lượng tử trong phạm vi rất dài ở nhiệt độ tương đối cao. Trong trường hợp này, trong các thí nghiệm dựa trên các thiết bị mà chúng tôi chế tạo, chúng tôi đã tìm thấy một Hasan cho biết sự cân bằng giữa các hiệu ứng ghép nối quỹ đạo quay, sự kết hợp lượng tử tầm xa và thăng giáng nhiệt”.

“Chúng tôi nhận thấy có một ‘điểm tuyệt vời’ nơi bạn có thể có mức độ kết hợp lượng tử tương đối cao của các chế độ bản lề tôpô cũng như hoạt động ở nhiệt độ tương đối cao. Nó giống như một điểm cân bằng cho các vật liệu dựa trên bismuth mà chúng tôi đã nghiên cứu gần hai thập kỷ."

Sử dụng kính hiển vi quét đường hầm, các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy trạng thái cạnh Hall spin lượng tử rõ ràng, đây là một trong những tính chất quan trọng tồn tại duy nhất trong các hệ tôpô. Điều này đòi hỏi phải có thêm thiết bị mới để tách riêng hiệu ứng tôpô.

Mặc dù bismuth chứa đựng trạng thái lượng tử như vậy nhưng bản thân vật liệu này là một bán kim loại không có bất kỳ khe năng lượng cách điện nào. Điều này gây khó khăn cho việc khám phá hệ quả của nó trong quá trình vận chuyển điện tử vì trong bismuth, các kênh vận chuyển chứa các electron từ cả trạng thái khối và từ trạng thái bản lề. Chúng trộn lẫn và làm mờ tín hiệu vận chuyển lượng tử mạch lạc của các trạng thái bản lề.

Một vấn đề nữa là do cái mà các nhà vật lý gọi là “nhiễu nhiệt”, được định nghĩa là sự tăng nhiệt độ khiến các nguyên tử bắt đầu dao động dữ dội. Hành động này có thể phá vỡ các hệ lượng tử mỏng manh, từ đó làm sụp đổ trạng thái lượng tử. Đặc biệt, trong các chất cách điện tôpô, nhiệt độ cao hơn này tạo ra tình huống trong đó các electron trên bề mặt chất cách điện xâm nhập vào bên trong, hay “khối lượng” của chất cách điện và khiến các electron ở đó cũng bắt đầu dẫn điện, làm loãng hoặc đứt hiệu ứng lượng tử đặc biệt Các dao động nhiệt cũng phá hủy sự kết hợp pha lượng tử của các electron.

Nhưng chất cách điện bismuth bromide do nhóm nghiên cứu phát triển đã có thể khắc phục được vấn đề này và các vấn đề khác. Họ đã sử dụng thiết bị này để chứng minh sự vận chuyển kết hợp lượng tử thông qua các chế độ bản lề tôpô. Một đặc điểm nổi bật của sự vận chuyển kết hợp lượng tử là sự biểu hiện của sự giao thoa lượng tử Aharonov–Bohm.

Giao thoa Aharonov–Bohm, được dự đoán gần 60 năm trước (nhà vật lý David Bohm ở Princeton từ 1947 đến 1951), mô tả một hiện tượng trong đó sóng lượng tử bị chia thành hai sóng đi xung quanh một đường kín và giao thoa dưới tác dụng của một trường điện từ. tiềm năng.

Kiểu giao thoa thu được được xác định bởi từ thông được bao bọc bởi các sóng. Trong trường hợp các electron, sự giao thoa lượng tử như vậy xảy ra nếu các electron dẫn vẫn duy trì pha kết hợp sau khi hoàn thành các quỹ đạo khép kín, dẫn đến một dao động tuần hoàn trong điện trở với chu kỳ đặc trưng của từ trường ΔB = Φ ₀ /S, trong đó Φ ₀  = h/e là lượng tử thông lượng, S là diện tích trên đó quỹ đạo của electron duy trì pha nhất quán, h là hằng số Planck và e là điện tích của electron.

Đối với các kênh dẫn tôpô, tất cả các quỹ đạo kết hợp pha tham gia giao thoa lượng tử bao quanh cùng một khu vực vuông góc với trường B, khác với các dao động độ dẫn phổ. Ở đây, họ trình bày các dấu vết từ điện trở từ các mẫu α-Bi ₄ Br ₄ cho thấy các dao động tuần hoàn B, dấu hiệu đặc trưng của hiệu ứng Aharonov–Bohm bắt nguồn từ các sóng mang kết hợp pha.

“Lần đầu tiên, chúng tôi đã chứng minh rằng có một loại thiết bị điện tử tôpô dựa trên bismuth có thể có mức độ kết hợp lượng tử cao tồn tại ở nhiệt độ tương đối cao, đó là do hiệu ứng giao thoa Aharonov–Bohm xuất phát từ cấu trúc liên kết pha. điện tử," Hasan nói.

Nguồn gốc tôpô của khám phá này nằm ở hoạt động của hiệu ứng Hall lượng tử—một dạng hiệu ứng tôpô từng là chủ đề của giải Nobel Vật lý năm 1985. Kể từ thời điểm đó, các pha tôpô đã được nghiên cứu kỹ lưỡng.

Nhiều loại vật liệu lượng tử mới có cấu trúc điện tử tôpô đã được tìm thấy, bao gồm chất cách điện tôpô, chất siêu dẫn tôpô, nam châm tôpô và bán kết Weyl. Những khám phá thực nghiệm và lý thuyết vẫn tiếp tục.

Daniel Tsui, Giáo sư danh dự Arthur Legrand Doty về Kỹ thuật Điện tại Princeton, đã giành giải Nobel Vật lý năm 1998 vì khám phá ra hiệu ứng Hall lượng tử phân đoạn, và F. Duncan Haldane, Giáo sư Vật lý Eugene Higgins tại Princeton, đã giành giải Nobel năm 2016 trong Vật lý cho những khám phá lý thuyết về sự chuyển pha tôpô và một loại chất cách điện tôpô hai chiều (2D).

Những phát triển lý thuyết sau đó cho thấy các chất cách điện tôpô có thể có dạng hai bản sao của mô hình Haldane dựa trên tương tác quỹ đạo quay của electron.

Hasan và đội của ông đã thực hiện cuộc tìm kiếm kéo dài hàng thập kỷ để tìm kiếm một trạng thái lượng tử tôpô có thể duy trì mức độ kết hợp lượng tử cao ở nhiệt độ tương đối cao, sau khi họ phát hiện ra những ví dụ đầu tiên về chất cách điện tôpô ba chiều vào năm 2007.

Gần đây, họ đã tìm ra lời giải cho giả thuyết Haldane về một vật liệu tôpô có khả năng hoạt động ở nhiệt độ phòng, vật liệu này cũng thể hiện sự lượng tử hóa như mong muốn.

Hasan cho biết : “Thiết kế cấu trúc và hóa học nguyên tử phù hợp kết hợp với lý thuyết các nguyên lý đầu tiên là bước quan trọng để biến dự đoán suy đoán của chất cách điện tôpô thành hiện thực trong một thiết bị thiết lập nhằm duy trì sự kết hợp lượng tử lâu dài”.

"Có nhiều vật liệu cấu trúc liên kết dựa trên Bi và chúng tôi cần cả trực giác, kinh nghiệm, tính toán dành riêng cho vật liệu và nỗ lực thử nghiệm mãnh liệt để cuối cùng tìm ra vật liệu phù hợp để khám phá chuyên sâu trong cài đặt thiết bị. Và điều đó đã khiến chúng tôi mất một thập kỷ- hành trình dài nghiên cứu một số vật liệu dựa trên bismuth mà cuối cùng dường như đang có hiệu quả."

Ý nghĩa đối với vật liệu lượng tử

Shafayat Hossain, cộng tác viên nghiên cứu sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Hasan và là đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi tin rằng phát hiện này có thể là điểm khởi đầu cho sự phát triển trong tương lai về kỹ thuật lượng tử và công nghệ nano”.

“Đã có rất nhiều khả năng được đề xuất trong công nghệ kỹ thuật và khoa học lượng tử tôpô đang chờ đợi, và việc tìm ra những vật liệu thích hợp có đặc tính kết hợp lượng tử lâu dài cùng với thiết bị đo mới là một trong những chìa khóa cho mục tiêu này. Và đó là những gì chúng tôi đã đạt được.”

Hasan nói: “Nếu các electron không nảy xung quanh hoặc bị kích động, chúng sẽ không mất năng lượng”. "Điều này tạo ra cơ sở lượng tử cho các công nghệ tiết kiệm năng lượng hoặc xanh hơn vì chúng tiêu thụ ít năng lượng hơn nhiều. Nhưng điều này vẫn còn là một chặng đường dài."

Hasan cho biết hiện tại, trọng tâm lý thuyết và thực nghiệm của nhóm Hasan tập trung theo hai hướng. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu muốn xác định những vật liệu tôpô nào khác có thể thể hiện mức độ kết hợp lượng tử tương tự hoặc cao hơn và quan trọng là cung cấp cho các nhà khoa học khác các công cụ và phương pháp thiết bị mới để xác định những vật liệu này sẽ hoạt động ở nhiệt độ cao hơn.

Thứ hai, các nhà nghiên cứu muốn tiếp tục thăm dò sâu hơn vào thế giới lượng tử và tìm kiếm vật lý mới trong môi trường thiết bị. Những nghiên cứu này sẽ yêu cầu phát triển một bộ công cụ, kỹ thuật mới và thiết bị tôpô khác để khai thác triệt để tiềm năng to lớn của những vật liệu kỳ diệu này.

Nan Yao, đồng tác giả của bài báo có tựa đề "Phản ứng vận chuyển lượng tử của các chế độ bản lề tôpô" và giáo sư thực hành tại Viện Vật liệu Princeton đã tóm tắt nghiên cứu bằng cách nói: "Công trình này về các chất cách điện tôpô bậc cao minh họa cho vẻ đẹp và tầm quan trọng của việc khám phá những khía cạnh mới của tự nhiên, chẳng hạn như sự kết hợp lượng tử của các trạng thái bản lề tôpô.”

"Đó là một khám phá có khả năng dẫn đến những tiến bộ thú vị trong các thiết bị lượng tử và tôi nhớ đến câu nói nổi tiếng của Einstein, 'Điều đẹp nhất mà chúng ta có thể trải nghiệm là sự huyền bí. Nó là nguồn gốc của mọi nghệ thuật và khoa học đích thực.'"