Fisikawan telah mengamati efek kuantum baru yang disebut “topologi hibrida” dalam bahan kristal. Temuan ini membuka berbagai kemungkinan baru untuk pengembangan material dan teknologi yang efisien untuk sains dan teknik kuantum generasi mendatang.
Temuan ini, dipublikasikan di Alam, terjadi ketika para ilmuwan Princeton menemukan bahwa unsur kristal padat yang terbuat dari atom arsenik (As) memiliki bentuk perilaku kuantum topologi yang belum pernah diamati sebelumnya. Mereka mampu mengeksplorasi dan menggambarkan keadaan kuantum baru ini menggunakan scanning tunnelingmicroscope (STM) dan spektroskopi fotoemisi, yang terakhir merupakan teknik yang digunakan untuk menentukan energi relatif elektron dalam molekul dan atom.
Keadaan ini menggabungkan, atau “menghibridisasi,” dua bentuk perilaku kuantum topologi—keadaan tepi dan keadaan permukaan, yang merupakan dua jenis sistem elektron kuantum dua dimensi. Hal ini telah diamati dalam percobaan sebelumnya, namun tidak pernah terjadi secara bersamaan pada material yang sama tempat mereka bercampur membentuk wujud materi baru.
“Temuan ini benar-benar tidak terduga,” kata M. Zahid Hasan, Profesor Fisika Eugene Higgins di Universitas Princeton, yang memimpin penelitian tersebut. “Tidak ada yang meramalkannya secara teori sebelum pengamatannya.”
Dalam beberapa tahun terakhir, studi tentang keadaan topologi materi telah menarik perhatian besar di kalangan fisikawan dan insinyur dan saat ini menjadi fokus banyak penelitian dan kepentingan internasional. Bidang studi ini menggabungkan fisika kuantum dengan topologi—cabang matematika teoretis yang mengeksplorasi sifat-sifat geometri yang dapat diubah bentuknya tetapi tidak diubah secara intrinsik.
Selama lebih dari satu dekade, para ilmuwan telah menggunakan isolator topologi berbasis bismut (Bi) untuk mendemonstrasikan dan mengeksplorasi efek kuantum eksotis pada padatan curah yang sebagian besar dilakukan dengan membuat bahan majemuk, seperti mencampurkan Bi dengan selenium (Se), misalnya. Namun, percobaan ini adalah pertama kalinya efek topologi ditemukan pada kristal yang terbuat dari unsur As.
“Pencarian dan penemuan sifat-sifat topologi baru materi telah muncul sebagai salah satu harta karun yang paling dicari dalam fisika modern, baik dari sudut pandang fisika fundamental maupun untuk menemukan penerapan potensial dalam sains dan teknik kuantum generasi mendatang,” kata Hasan. “Penemuan keadaan topologi baru yang dibuat dalam unsur padat ini dimungkinkan oleh berbagai kemajuan eksperimental dan instrumentasi inovatif di laboratorium kami di Princeton.”
Unsur padat berfungsi sebagai platform eksperimental yang sangat berharga untuk menguji berbagai konsep topologi. Hingga saat ini, bismuth telah menjadi satu-satunya elemen yang memiliki banyak sekali topologi, yang menyebabkan aktivitas penelitian intensif selama dua dekade. Hal ini sebagian disebabkan oleh kebersihan bahan dan kemudahan sintesis. Namun, penemuan fenomena topologi arsenik yang lebih kaya saat ini berpotensi membuka jalan bagi arah penelitian baru dan berkelanjutan.
“Untuk pertama kalinya, kami menunjukkan bahwa mirip dengan fenomena berkorelasi berbeda, tatanan topologi berbeda juga dapat berinteraksi dan memunculkan fenomena kuantum baru dan menarik,” kata Hasan.
Bahan topologi adalah komponen utama yang digunakan untuk menyelidiki misteri topologi kuantum. Perangkat ini bertindak sebagai isolator di bagian dalamnya, yang berarti elektron di dalamnya tidak bebas bergerak sehingga tidak menghantarkan listrik.
Namun, elektron di tepi perangkat bebas bergerak, artinya bersifat konduktif. Selain itu, karena sifat khusus topologi, elektron yang mengalir di sepanjang tepinya tidak terhambat oleh cacat atau deformasi apa pun. Perangkat jenis ini memiliki potensi tidak hanya untuk ditingkatkan teknologi tetapi juga untuk menghasilkan pemahaman yang lebih baik tentang materi itu sendiri dengan menyelidiki sifat elektronik kuantum.
Hasan mencatat bahwa ada banyak minat dalam menggunakan bahan topologi untuk aplikasi praktis. Namun ada dua kemajuan penting yang perlu dilakukan sebelum hal ini dapat direalisasikan. Pertama, efek topologi kuantum harus diwujudkan pada suhu yang lebih tinggi. Kedua, sistem material sederhana dan elemental (seperti silikon untuk elektronik konvensional) yang dapat menampung fenomena topologi perlu ditemukan.
“Di laboratorium kami, kami melakukan upaya di kedua arah—kami mencari sistem material yang lebih sederhana dengan kemudahan fabrikasi di mana efek topologi penting dapat ditemukan,” kata Hasan. “Kami juga mencari bagaimana efek ini dapat dibuat untuk bertahan hidup pada suhu ruangan.”
Latar belakang percobaan
Akar penemuan ini terletak pada cara kerja efek Hall kuantum—suatu bentuk efek topologi yang menjadi subjek Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1985. Sejak saat itu, fase-fase topologi telah dipelajari, dan banyak kelas baru material kuantum dengan topologi struktur elektronik telah ditemukan. Yang paling menonjol, Daniel Tsui, Profesor Teknik Elektro Arthur Legrand Doty, Emeritus, di Princeton, memenangkan Hadiah Nobel Fisika tahun 1998 karena menemukan efek Hall kuantum pecahan.
Demikian pula, F. Duncan Haldane, Profesor Fisika Eugene Higgins di Princeton, memenangkan Hadiah Nobel Fisika 2016 atas penemuan teoretis transisi fase topologi dan jenis isolator topologi dua dimensi (2D). Perkembangan teoritis selanjutnya menunjukkan bahwa isolator topologi dapat berbentuk dua salinan model Haldane berdasarkan interaksi spin-orbit elektron.
Hasan dan tim penelitinya telah mengikuti jejak para peneliti ini dengan menyelidiki aspek lain dari isolator topologi dan mencari keadaan materi yang baru. Hal ini membawa mereka, pada tahun 2007, pada penemuan contoh pertama isolator topologi tiga dimensi (3D). Sejak itu, Hasan dan timnya telah melakukan pencarian selama satu dekade untuk menemukan keadaan topologi baru dalam bentuk paling sederhana yang juga dapat beroperasi pada suhu kamar.
“Desain struktur dan kimia atom yang sesuai dipadukan dengan teori prinsip pertama adalah langkah penting untuk membuat prediksi spekulatif isolator topologi menjadi realistis dalam pengaturan suhu tinggi,” kata Hasan.
“Ada ratusan material kuantum, dan kita memerlukan intuisi, pengalaman, perhitungan khusus material, dan upaya eksperimental yang intens untuk menemukan material yang tepat untuk eksplorasi mendalam pada akhirnya. Dan hal ini membawa kami pada perjalanan selama satu dekade dalam menyelidiki banyak bahan berbasis bismut, yang menghasilkan banyak penemuan mendasar.”
Percobaan
Bahan berbasis bismut mampu, setidaknya secara prinsip, menampung keadaan topologi materi pada suhu tinggi. Namun, hal ini memerlukan persiapan bahan yang rumit dalam kondisi vakum yang sangat tinggi, sehingga para peneliti memutuskan untuk mengeksplorasi beberapa sistem lain. Peneliti postdoctoral Md. Shafayat Hossain menyarankan kristal terbuat dari arsenik karena dapat ditanam dalam bentuk yang lebih bersih daripada banyak senyawa bismut.
Ketika Hossain dan Yuxiao Jiang, seorang mahasiswa pascasarjana di kelompok Hasan, memutar STM pada sampel arsenik, mereka disambut dengan pengamatan yang dramatis—arsenik abu-abu, suatu bentuk arsenik dengan tampilan logam, menampung keadaan permukaan topologi dan keadaan tepi. serentak.
“Kami terkejut. Arsenik abu-abu seharusnya hanya memiliki keadaan permukaan. Namun ketika kami memeriksa tepi langkah atom, kami juga menemukan mode tepi konduksi yang indah,” kata Hossain.
“Step edge monolayer yang terisolasi seharusnya tidak memiliki mode edge tanpa celah,” tambah Jiang, salah satu penulis pertama studi ini.
Hal ini terlihat dalam perhitungan yang dilakukan oleh Frank Schindler, seorang rekan pascadoktoral dan ahli teori materi terkondensasi di Imperial College London di Inggris, dan Rajibul Islam, seorang peneliti pascadoktoral di Universitas Alabama di Birmingham, Alabama. Keduanya adalah penulis pertama makalah ini.
“Setelah sebuah tepian ditempatkan di atas sampel massal, kondisi permukaan akan berhibridisasi dengan kondisi celah di tepian dan membentuk kondisi tanpa celah,” kata Schindler.
“Ini pertama kalinya kami melihat hibridisasi seperti itu,” tambahnya.
Secara fisik, keadaan tanpa celah pada tepi langkah tidak diharapkan untuk isolator topologi kuat atau tingkat tinggi secara terpisah tetapi hanya untuk material hibrid di mana kedua jenis topologi kuantum terdapat. Keadaan tanpa celah ini juga tidak seperti keadaan permukaan atau engsel pada isolator topologi kuat dan tingkat tinggi. Ini berarti bahwa pengamatan eksperimental yang dilakukan oleh tim Princeton segera menunjukkan jenis keadaan topologi yang belum pernah diamati sebelumnya.
David Hsieh, Ketua Divisi Fisika di Caltech dan seorang peneliti yang tidak terlibat dalam penelitian ini, menunjuk pada kesimpulan inovatif dari penelitian tersebut.
“Biasanya, kami menganggap struktur pita sebagian besar suatu material termasuk dalam salah satu dari beberapa kelas topologi yang berbeda, masing-masing terikat pada jenis keadaan batas tertentu,” kata Hsieh. “Pekerjaan ini menunjukkan bahwa materi tertentu dapat dibagi menjadi dua kelas secara bersamaan. Yang paling menarik, keadaan batas yang muncul dari kedua topologi ini dapat berinteraksi dan direkonstruksi menjadi keadaan kuantum baru yang lebih dari sekadar superposisi bagian-bagiannya.”
Para peneliti selanjutnya memperkuat pengukuran mikroskop terowongan pemindaian dengan spektroskopi fotoemisi sudut resolusi tinggi yang sistematis.
“Sampel As abu-abu sangat bersih, dan kami menemukan tanda-tanda yang jelas dari keadaan permukaan topologi,” kata Zi-Jia Cheng, seorang mahasiswa pascasarjana di kelompok Hasan dan salah satu penulis makalah yang melakukan beberapa pengukuran fotoemisi. .
Kombinasi beberapa teknik eksperimental memungkinkan para peneliti untuk menyelidiki korespondensi tepi-permukaan unik yang terkait dengan keadaan topologi hibrid—dan menguatkan temuan eksperimental.
Implikasi dari temuan ini
Dampak dari penemuan ini ada dua. Pengamatan mode tepi topologi gabungan dan keadaan permukaan membuka jalan untuk merekayasa saluran transpor elektron topologi baru. Hal ini memungkinkan perancangan ilmu informasi kuantum atau perangkat komputasi kuantum baru.
Para peneliti Princeton menunjukkan bahwa mode tepi topologi hanya hadir sepanjang konfigurasi geometris tertentu yang kompatibel dengan simetri kristal, menerangi jalur untuk merancang berbagai bentuk perangkat nano masa depan dan elektronik berbasis spin.
Dari perspektif yang lebih luas, masyarakat mendapat manfaat ketika ditemukan material dan properti baru, kata Hasan. Dalam material kuantum, identifikasi padatan unsur sebagai platform material, seperti antimon yang memiliki topologi kuat atau bismut yang memiliki topologi tingkat tinggi, telah mengarah pada pengembangan material baru yang sangat bermanfaat dalam bidang material topologi.
“Kami membayangkan arsenik, dengan topologinya yang unik, dapat berfungsi sebagai platform baru pada tingkat yang sama untuk mengembangkan material topologi baru dan perangkat kuantum yang saat ini tidak dapat diakses melalui platform yang sudah ada,” kata Hasan.
Kelompok Princeton telah merancang dan membangun eksperimen baru untuk eksplorasi bahan isolator topologi selama lebih dari 15 tahun. Antara tahun 2005 dan 2007, misalnya, tim yang dipimpin oleh Hasan menemukan tatanan topologi dalam padatan curah bismut-antimon tiga dimensi, paduan semikonduktor, dan bahan topologi Dirac terkait menggunakan metode eksperimental baru.
Hal ini menyebabkan ditemukannya material magnetik topologi. Antara tahun 2014 dan 2015, mereka menemukan dan mengembangkan kelas material topologi baru yang disebut semimetal Weyl magnetik.
Para peneliti yakin temuan ini akan membuka pintu bagi berbagai kemungkinan penelitian dan penerapan teknologi kuantum di masa depan, terutama dalam apa yang disebut teknologi “hijau”.
“Penelitian kami merupakan langkah maju dalam menunjukkan potensi material topologi untuk elektronik kuantum dengan aplikasi hemat energi,” kata Hasan.