لاحظ الفيزيائيون تأثيرًا كميًا جديدًا يُطلق عليه "الطوبولوجيا الهجينة" في مادة بلورية. يفتح هذا الاكتشاف نطاقًا جديدًا من الاحتمالات لتطوير مواد وتقنيات فعالة للجيل القادم من علوم وهندسة الكم.
تم نشر الاكتشاف في الطبيعةجاء ذلك عندما اكتشف علماء برينستون أن البلورة الصلبة العنصرية المصنوعة من ذرات الزرنيخ (As) تستضيف شكلاً لم يسبق ملاحظته من السلوك الكمي الطوبولوجي. لقد تمكنوا من استكشاف هذه الحالة الكمومية الجديدة وتصويرها باستخدام مجهر المسح النفقي (STM) ومطيافية الانبعاث الضوئي، وهي تقنية تستخدم لتحديد الطاقة النسبية للإلكترونات في الجزيئات والذرات.
تجمع هذه الحالة، أو "تهجن"، شكلين من السلوك الكمي الطوبولوجي - حالات الحافة والحالات السطحية، وهما نوعان من أنظمة الإلكترون الكمومية ثنائية الأبعاد. وقد تمت ملاحظة هذه العناصر في تجارب سابقة، ولكن لم تتم ملاحظتها في نفس المادة في وقت واحد حيث تمتزج لتشكل حالة جديدة من المادة.
وقال إم. زاهد حسن، أستاذ الفيزياء بجامعة برينستون، الذي قاد البحث: "كانت هذه النتيجة غير متوقعة على الإطلاق". "لم يتوقعه أحد من الناحية النظرية قبل ملاحظته."
في السنوات الأخيرة، اجتذبت دراسة الحالات الطوبولوجية للمادة اهتمامًا كبيرًا بين الفيزيائيين والمهندسين، وهي حاليًا محور اهتمام وأبحاث دولية كثيرة. يجمع مجال الدراسة هذا بين فيزياء الكم والطوبولوجيا، وهو فرع من الرياضيات النظرية يستكشف الخصائص الهندسية التي يمكن تشويهها ولكن لا تتغير بشكل جوهري.
لأكثر من عقد من الزمان، استخدم العلماء العوازل الطوبولوجية القائمة على البزموت (Bi) لإظهار واستكشاف التأثيرات الكمومية الغريبة في المواد الصلبة السائبة، وذلك عن طريق تصنيع مواد مركبة، مثل خلط Bi مع السيلينيوم (Se)، على سبيل المثال. ومع ذلك، فإن هذه التجربة هي المرة الأولى التي يتم فيها اكتشاف التأثيرات الطوبولوجية في البلورات المصنوعة من العنصر As.
قال: "لقد برز البحث واكتشاف الخصائص الطوبولوجية الجديدة للمادة كواحد من أكثر الكنوز المرغوبة في الفيزياء الحديثة، سواء من وجهة نظر الفيزياء الأساسية أو لإيجاد تطبيقات محتملة في علوم وهندسة الكم من الجيل التالي". حسن. "تم تمكين اكتشاف هذه الحالة الطوبولوجية الجديدة المصنوعة في مادة صلبة من خلال العديد من التطورات التجريبية المبتكرة والأجهزة في مختبرنا في برينستون."
تعمل العناصر الصلبة كمنصة تجريبية لا تقدر بثمن لاختبار مفاهيم مختلفة للطوبولوجيا. حتى الآن، كان البزموت هو العنصر الوحيد الذي يستضيف نسيجًا غنيًا من الطوبولوجيا، مما أدى إلى عقدين من الأنشطة البحثية المكثفة. ويعزى ذلك جزئيًا إلى نظافة المادة وسهولة تركيبها. ومع ذلك، فإن الاكتشاف الحالي لظواهر طوبولوجية أكثر ثراءً في الزرنيخ من المحتمل أن يمهد الطريق لاتجاهات بحثية جديدة ومستدامة.
وقال حسن: "للمرة الأولى، نثبت أنه على غرار الظواهر المترابطة المختلفة، يمكن للأنظمة الطوبولوجية المتميزة أن تتفاعل أيضًا وتؤدي إلى ظواهر كمومية جديدة ومثيرة للاهتمام".
المادة الطوبولوجية هي المكون الرئيسي المستخدم للتحقيق في أسرار طوبولوجيا الكم. يعمل هذا الجهاز كعازل في داخله، مما يعني أن الإلكترونات الموجودة بداخله ليست حرة في الحركة، وبالتالي لا تقوم بتوصيل الكهرباء.
ومع ذلك، فإن الإلكترونات الموجودة على حواف الجهاز تتمتع بحرية الحركة، مما يعني أنها موصلة. علاوة على ذلك، وبسبب الخصائص الخاصة للطوبولوجيا، فإن تدفق الإلكترونات على طول الحواف لا يعوقه أي عيوب أو تشوهات. هذا النوع من الأجهزة لديه القدرة ليس فقط على التحسين التكنلوجيا ولكن أيضًا لتوليد فهم أكبر للمادة نفسها من خلال فحص الخصائص الإلكترونية الكمومية.
وأشار حسن إلى أن هناك اهتمامًا كبيرًا باستخدام المواد الطوبولوجية للتطبيقات العملية. ولكن لا بد من تحقيق تقدمين مهمين قبل أن يتسنى تحقيق ذلك. أولاً، يجب أن تظهر التأثيرات الطوبولوجية الكمومية عند درجات حرارة أعلى. ثانيًا، يجب إيجاد أنظمة مادية بسيطة وعنصرية (مثل السيليكون للإلكترونيات التقليدية) يمكنها استضافة الظواهر الطوبولوجية.
قال حسن: "في مختبراتنا، نبذل جهودًا في كلا الاتجاهين، فنحن نبحث عن أنظمة مواد أبسط مع سهولة التصنيع حيث يمكن العثور على التأثيرات الطوبولوجية الأساسية". "نحن نبحث أيضًا عن كيفية جعل هذه التأثيرات تبقى على قيد الحياة في درجة حرارة الغرفة."
خلفية التجربة
تكمن جذور هذا الاكتشاف في طريقة عمل تأثير هول الكمي، وهو شكل من أشكال التأثير الطوبولوجي الذي كان موضوع جائزة نوبل في الفيزياء عام 1985. ومنذ ذلك الوقت، تمت دراسة المراحل الطوبولوجية، والعديد من الفئات الجديدة من المواد الكمومية ذات الخصائص الطوبولوجية. تم العثور على الهياكل الإلكترونية. ومن أبرزهم دانييل تسوي، أستاذ آرثر ليجراند دوتي للهندسة الكهربائية، الفخري في جامعة برينستون، الذي فاز بجائزة نوبل في الفيزياء عام 1998 لاكتشافه تأثير هول الكمي الجزئي.
وبالمثل، فاز دنكان هالدين، أستاذ يوجين هيجنز للفيزياء في جامعة برينستون، بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 2016 لاكتشافاته النظرية لانتقالات الطور الطوبولوجي ونوع من العازل الطوبولوجي ثنائي الأبعاد (2D). أظهرت التطورات النظرية اللاحقة أن العوازل الطوبولوجية يمكن أن تأخذ شكل نسختين من نموذج هالدين بناءً على تفاعل مدار الإلكترون.
وقد سار حسن وفريقه البحثي على خطى هؤلاء الباحثين من خلال دراسة جوانب أخرى من العوازل الطوبولوجية والبحث عن حالات جديدة للمادة. وقد قادهم ذلك، في عام 2007، إلى اكتشاف الأمثلة الأولى للعوازل الطوبولوجية ثلاثية الأبعاد (3D). ومنذ ذلك الحين، ظل حسن وفريقه في بحث دام عقدًا من الزمن عن حالة طوبولوجية جديدة في أبسط أشكالها، والتي يمكن أن تعمل أيضًا في درجة حرارة الغرفة.
قال حسن: "إن الكيمياء الذرية المناسبة وتصميم البنية إلى جانب نظرية المبادئ الأولى هي خطوة حاسمة لجعل التنبؤ التأملي للعازل الطوبولوجي واقعيًا في بيئة ذات درجة حرارة عالية".
"هناك المئات من المواد الكمومية، ونحن بحاجة إلى الحدس والخبرة والحسابات الخاصة بالمواد والجهود التجريبية المكثفة للعثور على المادة المناسبة للاستكشاف المتعمق في نهاية المطاف. وقد أخذنا ذلك في رحلة مدتها عقد من الزمن لدراسة العديد من المواد القائمة على البزموت، مما أدى إلى العديد من الاكتشافات الأساسية.
التجربة
المواد المعتمدة على البزموت قادرة، على الأقل من حيث المبدأ، على استضافة حالة طوبولوجية للمادة عند درجات حرارة عالية. ومع ذلك، فإن هذه تتطلب تحضير مواد معقدة في ظل ظروف فراغ عالية جدًا، لذلك قرر الباحثون استكشاف العديد من الأنظمة الأخرى. اقترح باحث ما بعد الدكتوراه الدكتور شفايات حسين بلورة مصنوعة من الزرنيخ لأنه يمكن زراعتها في شكل أنظف من العديد من مركبات البزموت.
عندما قام حسين ويوشياو جيانغ، وهو طالب دراسات عليا في مجموعة حسن، بتحويل STM على عينة الزرنيخ، تم الترحيب بهم بملاحظة مثيرة - الزرنيخ الرمادي، وهو شكل من أشكال الزرنيخ ذو مظهر معدني، يحتوي على حالات سطحية طوبولوجية وحالات حافة. معًا.
"فوجئنا. كان من المفترض أن يكون للزرنيخ الرمادي حالات سطحية فقط. ولكن عندما فحصنا حواف الخطوة الذرية، وجدنا أيضًا أوضاع حافة موصلة جميلة.
وأضاف جيانغ، المؤلف الأول المشارك للدراسة: "لا ينبغي أن تحتوي حافة الخطوة أحادية الطبقة المعزولة على وضع حافة بلا فجوات".
وهذا ما يظهر في الحسابات التي أجراها فرانك شندلر، زميل ما بعد الدكتوراه ومنظر المادة المكثفة في إمبريال كوليدج لندن في المملكة المتحدة، ورجيب الإسلام، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة ألاباما في برمنغهام، ألاباما. كلاهما مؤلفان مشاركان في الورقة.
وقال شندلر: "بمجرد وضع حافة فوق العينة المجمعة، تختلط حالات السطح مع الحالات المفجوة على الحافة وتشكل حالة بلا فجوات".
وأضاف: "هذه هي المرة الأولى التي نرى فيها مثل هذا التهجين".
فيزيائيًا، مثل هذه الحالة الخالية من الفجوات على حافة الخطوة غير متوقعة بالنسبة للعوازل الطوبولوجية القوية أو ذات الترتيب العالي بشكل منفصل، ولكن فقط للمواد الهجينة التي يوجد فيها كلا النوعين من الطوبولوجيا الكمومية. تختلف هذه الحالة الخالية من الفجوات أيضًا عن الحالات السطحية أو المفصلية في العوازل الطوبولوجية القوية والعالية الترتيب، على التوالي. وهذا يعني أن الملاحظة التجريبية التي أجراها فريق برينستون أشارت على الفور إلى نوع من الحالة الطوبولوجية لم يتم ملاحظتها من قبل.
وأشار ديفيد هسيه، رئيس قسم الفيزياء في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا والباحث الذي لم يشارك في الدراسة، إلى الاستنتاجات المبتكرة للدراسة.
قال هسيه: "عادةً، نحن نعتبر أن بنية النطاق السائبة للمادة تندرج ضمن واحدة من عدة فئات طوبولوجية متميزة، يرتبط كل منها بنوع معين من الحالة الحدودية". "يوضح هذا العمل أن بعض المواد يمكن أن تنقسم في وقت واحد إلى فئتين. والأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو أن الحالات الحدودية الناشئة عن هاتين الطوبولوجيتين يمكن أن تتفاعل وتعيد البناء في حالة كمومية جديدة تكون أكثر من مجرد تراكب لأجزائها.
كما أثبت الباحثون قياسات الفحص المجهري النفقي الماسح باستخدام التحليل الطيفي للانبعاث الضوئي المنهجي عالي الدقة للزاوية.
قال زي جيا تشينج، طالب دراسات عليا في مجموعة حسن والمؤلف الأول المشارك للورقة البحثية والذي أجرى بعض قياسات الانبعاث الضوئي: "إن العينة الرمادية نظيفة جدًا، وقد وجدنا بصمات واضحة لحالة السطح الطوبولوجية". .
إن الجمع بين التقنيات التجريبية المتعددة قد مكّن الباحثين من التحقق من المراسلات الفريدة من نوعها بين الجزء الأكبر من حافة السطح والمرتبطة بالحالة الطوبولوجية الهجينة، وتعزيز النتائج التجريبية.
الآثار المترتبة على النتائج
تأثير هذا الاكتشاف ذو شقين. تمهد مراقبة وضع الحافة الطوبولوجية المدمجة وحالة السطح الطريق لتصميم قنوات نقل إلكترون طوبولوجية جديدة. قد يتيح ذلك تصميم علوم معلومات كمومية جديدة أو أجهزة حوسبة كمومية.
أظهر باحثو برينستون أن أوضاع الحافة الطوبولوجية موجودة فقط على طول تكوينات هندسية محددة متوافقة مع تماثلات البلورة، مما ينير الطريق لتصميم أشكال مختلفة من الأجهزة النانوية المستقبلية والإلكترونيات القائمة على الدوران.
وقال حسن إنه من منظور أوسع، يستفيد المجتمع عندما يتم اكتشاف مواد وخصائص جديدة. في المواد الكمومية، أدى تحديد المواد الصلبة العنصرية كمنصات مادية، مثل الأنتيمون الذي يستضيف طوبولوجيا قوية أو البزموت الذي يستضيف طوبولوجيا ذات ترتيب أعلى، إلى تطوير مواد جديدة أفادت بشكل كبير مجال المواد الطوبولوجية.
وقال حسن: "نتصور أن الزرنيخ، بطوبولوجيته الفريدة، يمكن أن يكون بمثابة منصة جديدة على مستوى مماثل لتطوير مواد طوبولوجية جديدة وأجهزة كمومية لا يمكن الوصول إليها حاليًا من خلال المنصات الحالية".
قامت مجموعة برينستون بتصميم وبناء تجارب جديدة لاستكشاف المواد العازلة الطوبولوجية لأكثر من 15 عامًا. بين عامي 2005 و2007، على سبيل المثال، اكتشف الفريق بقيادة حسن ترتيبًا طوبولوجيًا في كتلة صلبة ثلاثية الأبعاد من البزموت والأنتيمون، وهي سبيكة شبه موصلة، ومواد ديراك الطوبولوجية ذات الصلة باستخدام طرق تجريبية جديدة.
أدى هذا إلى اكتشاف المواد المغناطيسية الطوبولوجية. بين عامي 2014 و2015، اكتشفوا وطوروا فئة جديدة من المواد الطوبولوجية تسمى أشباه المعادن المغناطيسية.
ويعتقد الباحثون أن هذه النتيجة ستفتح الباب أمام مجموعة كاملة من إمكانيات البحث والتطبيقات المستقبلية في تقنيات الكم، وخاصة في ما يسمى بالتقنيات "الخضراء".
وقال حسن: "يعد بحثنا خطوة إلى الأمام في إظهار إمكانات المواد الطوبولوجية للإلكترونيات الكمومية مع تطبيقات توفير الطاقة".