Tin tức Vũ trụ TV

Hiệu ứng Hội trường lượng tử ‘tái sinh’ trong các vật liệu tôpô 3D

Ngày:
Th5 19, 2020
Tóm lược:

Các nhà vật lý đã tìm thấy bằng chứng đáng ngạc nhiên về mối liên hệ giữa hiệu ứng Hall lượng tử 2D và các vật liệu tôpô 3D có thể được sử dụng trong điện toán lượng tử.

Share:
CÂU CHUYỆN ĐẦY ĐỦ

Các phong cảnh gồ ghề trong các hình minh họa này mô tả tiềm năng điện trên bề mặt vật liệu 2D thể hiện hiệu ứng Hall lượng tử. Mức độ chắc chắn tương ứng với các tạp chất trong hệ thống và mực nước đại diện cho năng lượng của Fermi, Fem hoặc mức lấp đầy của các điện tử. Trong hiệu ứng Hall lượng tử (trái), ngưỡng percolation (giữa) là trạng thái năng lượng được tinh chỉnh đánh dấu bước chuyển sang trật tự tôpô. Nghiên cứu mới của các nhà vật lý tại Đại học Rice, Đại học California Berkeley và Viện Công nghệ Karlsruhe đã tìm thấy các ngăn xếp của chế độ 2D đặc biệt này bảo vệ các mô hình vướng víu lượng tử (phải) trong toàn bộ phổ năng lượng bề mặt của vật liệu cấu trúc 3D. (Lịch sự đồ họa của M. Foster / Đại học Rice)
Các phong cảnh gồ ghề trong các hình minh họa này mô tả tiềm năng điện trên bề mặt vật liệu 2D thể hiện hiệu ứng Hall lượng tử. Mức độ chắc chắn tương ứng với các tạp chất trong hệ thống và mực nước đại diện cho năng lượng của Fermi, Fem hoặc mức lấp đầy của các điện tử.
Trong hiệu ứng Hall lượng tử (trái), ngưỡng percolation (giữa) là trạng thái năng lượng được tinh chỉnh đánh dấu bước chuyển sang trật tự tôpô. Nghiên cứu mới của các nhà vật lý tại Đại học Rice, Đại học California Berkeley và Viện Công nghệ Karlsruhe đã tìm thấy các ngăn xếp của chế độ 2D đặc biệt này bảo vệ các mô hình vướng víu lượng tử (phải) trong toàn bộ phổ năng lượng bề mặt của vật liệu cấu trúc 3D.
(Lịch sự đồ họa của M. Foster / Đại học Rice)

Các nhà vật lý Hoa Kỳ và Đức đã tìm thấy bằng chứng đáng ngạc nhiên rằng một trong những hiện tượng nổi tiếng nhất trong vật lý hiện đại – hiệu ứng Hall lượng tử – là “tái sinh” trong các chất siêu dẫn tôpô có thể được sử dụng để chế tạo máy tính lượng tử chịu lỗi.

Phát hiện năm 1980 về hiệu ứng Hall lượng tử đã khởi động nghiên cứu các trật tự tôpô, các trạng thái điện tử với các mẫu “được bảo vệ” của sự vướng víu lượng tử tầm xa rất mạnh mẽ. Tính ổn định của các trạng thái được bảo vệ này cực kỳ hấp dẫn đối với điện toán lượng tử, sử dụng sự vướng víu lượng tử để lưu trữ và xử lý thông tin.

Trong một nghiên cứu được công bố trực tuyến trong tháng này trên Tạp chí Vật lý X (PRX), các nhà vật lý lý thuyết từ Đại học Rice, Đại học California, Berkeley (UC Berkeley) và Viện Công nghệ Karlsruhe (KIT) ở Karlsruhe, Đức, đã đưa ra bằng chứng số lượng mạnh mẽ cho một liên kết đáng ngạc nhiên giữa các giai đoạn 2D và 3D của vật chất tôpô. Hiệu ứng Hall lượng tử được phát hiện trong các vật liệu 2D và các phòng thí nghiệm trên toàn thế giới đang trong một cuộc đua tạo ra các chất siêu dẫn tôpô 3D cho điện toán lượng tử.

Matthew Foster, phó giáo sư vật lý và thiên văn học và là thành viên của Trung tâm gạo cho vật liệu lượng tử (RCQM) cho biết: “Trong tác phẩm này, chúng tôi đã chỉ ra rằng một loại chất siêu dẫn tôpô 3D đặc biệt sẽ thể hiện” các ngăn năng lượng “của các trạng thái điện tử 2D trên bề mặt của chúng. Mỗi trạng thái xếp chồng này là một ‘tái sinh’ mạnh mẽ của một trạng thái duy nhất, rất đặc biệt xảy ra trong hiệu ứng Hall lượng tử 2D.”

Hiệu ứng Hall lượng tử lần đầu tiên được đo bằng vật liệu hai chiều. Foster sử dụng phép tương tự “percolation” để giúp hình dung những điểm tương đồng kỳ lạ giữa những gì xảy ra trong các thí nghiệm Hall lượng tử 2D và các mô hình tính toán 3D của nghiên cứu.

Hình ảnh một tờ giấy với một bản đồ của các đỉnh và thung lũng gồ ghề, và sau đó tưởng tượng những gì xảy ra khi chúng ta lấp đầy cảnh quan đó bằng nước. Nước là điện tử của chúng ta và khi mức chất lỏng thấp, chúng ta chỉ cần các hồ điện tử bị cô lập. Các hồ bị ngắt kết nối với nhau và các điện tử không thể dẫn qua khối. Nếu mực nước cao, chúng ta có những hòn đảo bị cô lập, và trong trường hợp này, những hòn đảo giống như các điện tử, và chúng ta cũng không được dẫn điện số lượng lớn.

Trong sự tương tự của Foster, phong cảnh gồ ghề là tiềm năng điện của vật liệu 2D và mức độ chắc chắn tương ứng với lượng tạp chất trong hệ thống. Mực nước đại diện cho “năng lượng Fermi”, một khái niệm trong vật lý đề cập đến mức độ lấp đầy của các điện tử trong một hệ thống. Các cạnh của bản đồ giấy tương tự như các cạnh 1D bao quanh vật liệu 2D.

Nếu chúng ta thêm nước và điều chỉnh mức chất lỏng chính xác đến điểm mà chúng ta có những cây cầu nước nhỏ nối các hồ và những cây cầu nhỏ nối liền các đảo, thì việc di chuyển bằng nước hoặc đất liền rất dễ dàng. Đó là ngưỡng percolation, tương ứng với quá trình chuyển đổi giữa các trạng thái tôpô trong Hội trường lượng tử. Đây là trạng thái 2D đặc biệt trong Hội trường lượng tử.

“Nếu chúng ta tăng mức chất lỏng nhiều hơn, bây giờ các electron bị mắc kẹt trong các hòn đảo bị cô lập, và chúng ta sẽ nghĩ, ‘Chà, tôi có tình huống tương tự tôi đã có trước đây, không có sự dẫn điện.’ Nhưng, ở giai đoạn chuyển tiếp đặc biệt, một trong những trạng thái điện tử đã bị bóc ra rìa. Thêm nhiều chất lỏng hơn sẽ không loại bỏ trạng thái cạnh, có thể đi xung quanh toàn bộ mẫu và không gì có thể ngăn chặn được. “

Sự tương tự mô tả mối quan hệ giữa dẫn truyền mạnh mẽ và tinh chỉnh số lượng lớn thông qua quá trình chuyển đổi đặc biệt trong hiệu ứng Hall lượng tử. Trong nghiên cứu PRX, Foster và đồng tác giả Bjo Sbierski của UC Berkeley và Jonas Karcher của KIT đã nghiên cứu các hệ thống tôpô 3D tương tự như phong cảnh 2D trong sự tương tự.

Những điều thú vị trong các hệ thống 3D này cũng chỉ xảy ra ở ranh giới. Nhưng bây giờ ranh giới của nhóm nghiên cứu không phải là các trạng thái cạnh 1D, chúng là các bề mặt 2D.

Sử dụng “tính toán số lượng mạnh mẽ của các trạng thái bề mặt”, Sbierski, Karcher và Foster đã tìm thấy mối liên hệ giữa trạng thái Hall lượng tử 2D quan trọng và các hệ thống 3D. Giống như trạng thái cạnh 1D vẫn tồn tại trên năng lượng chuyển tiếp trong vật liệu Hall lượng tử 2D, các tính toán cho thấy trạng thái ranh giới 2D bền bỉ trong các hệ thống 3D. Và không chỉ bất kỳ trạng thái 2D nào; nó chính xác là cùng một trạng thái percolation 2D tạo ra các trạng thái cạnh Hall lượng tử 1D.

Sự chuyển tiếp pha lượng tử tôpô tinh chỉnh trong 2D là gì đã được “tái sinh” thành trạng thái bề mặt chung cho khối lượng chiều cao hơn. Trong nghiên cứu năm 2018, nhóm của Foster đã xác định được mối liên hệ tương tự giữa một loại hiệu ứng Hall lượng tử 2D khác lạ hơn và trạng thái bề mặt của một loại chất siêu dẫn tôpô 3D khác cho những kết nối này, nhưng hiện tại toán học vẫn còn mù mờ.

Các chất siêu dẫn topo vẫn chưa được thực hiện bằng thực nghiệm, nhưng các nhà vật lý đang cố gắng tạo ra chúng bằng cách thêm tạp chất vào chất cách điện tôpô. Quá trình này, được gọi là doping, đã được sử dụng rộng rãi để tạo ra các loại chất siêu dẫn độc đáo khác từ các chất cách điện số lượng lớn.

Foster nói thêm: “Bây giờ chúng tôi có bằng chứng cho thấy ba trong số năm pha cấu trúc liên kết 3D được gắn với các pha 2D là phiên bản của hiệu ứng Hall lượng tử và cả ba pha 3D đều có thể được hiện thực hóa trong sup siêu dẫn topo,”.

Foster cho biết sự khôn ngoan thông thường trong vật lý vật chất ngưng tụ là các chất siêu dẫn tôpô sẽ chỉ lưu trữ một trạng thái bề mặt 2D được bảo vệ và tất cả các trạng thái khác sẽ bị ảnh hưởng xấu bởi sự không hoàn hảo không thể tránh khỏi trong các vật liệu ở trạng thái rắn được sử dụng để tạo ra chất siêu dẫn.

Nhưng tính toán của Sbierski, Karcher và Foster cho thấy không phải vậy.

“Trong Hội trường lượng tử, bạn có thể điều chỉnh bất cứ nơi nào và vẫn có được độ cao mạnh mẽ này trong độ dẫn, do các trạng thái cạnh 1D,” Foster giải thích. “Công việc của chúng tôi cho thấy đó cũng là trường hợp trong 3D. Chúng tôi thấy các trạng thái quan trọng ở các mức năng lượng khác nhau và tất cả chúng đều được bảo vệ bởi sự tái sinh kỳ lạ của trạng thái chuyển tiếp lượng tử 2D này.”

Các tác giả cũng tạo tiền đề cho công việc thử nghiệm để xác minh phát hiện của họ, tìm ra chi tiết về cách các trạng thái bề mặt của các pha 3D sẽ xuất hiện trong các thăm dò thử nghiệm khác nhau.

Foster kết luận: “Chúng tôi cung cấp thống kê chính xác” dấu vân tay “cho các trạng thái bề mặt của các pha tôpô. Các hàm sóng thực tế là ngẫu nhiên, do rối loạn, nhưng phân phối của chúng là phổ quát và phù hợp với quá trình chuyển đổi lượng tử Hall.”

Nghiên cứu được hỗ trợ bởi một khoản tài trợ CAREER Foundation Foundation (1552327), Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Đức Leopoldina (LPDS 2018-12), một khoản tài trợ du lịch nghiên cứu KIT, tài trợ tốt nghiệp của nhà nước Đức và Sáng kiến ​​Tác động Nghiên cứu Berkeley của Thư viện UC Berkeley.


Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Rice . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.


Tạp chí tham khảo :

  1. Bjorn Sbierski, Jonas F. Karcher, Matthew S. Foster. Mức độ quan trọng của lượng tử toàn phổ ở bề mặt của các giai đoạn tôpô lớp AIII: Một khối năng lượng khác nhau của sự chuyển đổi cao nguyên hội trường . Đánh giá vật lý X , 2020; 10 (2) DOI: 10.1103 / PhysRevX.10.021025

Bài viết liên quan

Bài viết mới