פיזיקאים צפו באפקט קוונטי חדש המכונה "טופולוגיה היברידית" בחומר גבישי. ממצא זה פותח מגוון חדש של אפשרויות לפיתוח חומרים וטכנולוגיות יעילים לדור הבא של מדע והנדסה קוונטים.
הממצא, שפורסם ב טבע, הגיע כאשר מדענים פרינסטון גילו שגביש מוצק אלמנטרי העשוי מאטומי ארסן (As) מארח צורה שלא נצפתה קודם לכן של התנהגות קוונטית טופולוגית. הם הצליחו לחקור ולדמיין את המצב הקוונטי החדש הזה באמצעות מיקרוסקופ מנהור סורק (STM) וספקטרוסקופיה פוטו-פליטה, האחרונה היא טכניקה המשמשת לקביעת האנרגיה היחסית של אלקטרונים במולקולות ובאטומים.
מצב זה משלב, או "מכליד", שתי צורות של התנהגות קוונטית טופולוגית - מצבי קצה ומצבי פני השטח, שהם שני סוגים של מערכות אלקטרונים דו-ממדיות קוונטיות. אלה נצפו בניסויים קודמים, אך מעולם לא בו-זמנית באותו חומר שבו הם מתערבבים ליצירת מצב חדש של חומר.
"ממצא זה היה בלתי צפוי לחלוטין", אמר זאהיד חסן, פרופסור יוג'ין היגינס לפיזיקה באוניברסיטת פרינסטון, שהוביל את המחקר. "אף אחד לא חזה את זה בתיאוריה לפני התצפית שלו."
בשנים האחרונות, חקר המצבים הטופולוגיים של החומר משך תשומת לב רבה בקרב פיזיקאים ומהנדסים וכיום הוא מוקד לעניין ומחקר בינלאומיים רבים. תחום מחקר זה משלב פיזיקה קוונטית עם טופולוגיה - ענף של מתמטיקה תיאורטית החוקר תכונות גיאומטריות שניתן לעוות אך לא לשנות באופן מהותי.
במשך יותר מעשור, מדענים השתמשו במבודדים טופולוגיים מבוססי ביסמוט (Bi) כדי להדגים ולחקור השפעות קוונטיות אקזוטיות במוצקים בתפזורת, בעיקר על ידי ייצור חומרים מורכבים, כמו ערבוב Bi עם סלניום (Se), למשל. עם זאת, ניסוי זה הוא הפעם הראשונה בה התגלו השפעות טופולוגיות בגבישים העשויים מהיסוד As.
"החיפוש והגילוי של תכונות טופולוגיות חדשות של החומר התגלו כאחד האוצרות המבוקשים ביותר בפיזיקה המודרנית, הן מנקודת מבט של פיזיקה בסיסית והן למציאת יישומים פוטנציאליים במדע והנדסת הקוונטים של הדור הבא", אמר. חסן. "הגילוי של המצב הטופולוגי החדש הזה שנעשה במוצק יסודי התאפשר על ידי התקדמות ניסויים ומכשור חדשני מרובים במעבדה שלנו בפרינסטון."
מוצק יסודי משמש כפלטפורמה ניסויית שלא תסולא בפז לבדיקת מושגים שונים של טופולוגיה. עד כה, ביסמוט היה המרכיב היחיד שמארח שטיח עשיר של טופולוגיה, מה שהוביל לשני עשורים של פעילויות מחקר אינטנסיביות. זה מיוחס בחלקו לניקיון החומר ולקלות הסינתזה. עם זאת, הגילוי הנוכחי של תופעות טופולוגיות עשירות עוד יותר בארסן עשוי לסלול את הדרך לכיווני מחקר חדשים ומתמשכים.
"בפעם הראשונה, אנו מדגימים שבדומה לתופעות שונות בקורלציה, סדרים טופולוגיים שונים יכולים גם לתקשר ולהוליד תופעות קוונטיות חדשות ומסקרנות", אמר חסן.
חומר טופולוגי הוא המרכיב העיקרי המשמש לחקור את מסתורי הטופולוגיה הקוונטית. מכשיר זה פועל כמבודד בפנים שלו, מה שאומר שהאלקטרונים בפנים אינם חופשיים לנוע ולפיכך אינם מוליכים חשמל.
עם זאת, האלקטרונים בקצוות המכשיר חופשיים לנוע, כלומר הם מוליכים. יתרה מכך, בגלל המאפיינים המיוחדים של הטופולוגיה, האלקטרונים הזורמים לאורך הקצוות אינם נפגעים על ידי פגמים או עיוותים כלשהם. לסוג זה של מכשיר יש פוטנציאל לא רק להשתפר טֶכנוֹלוֹגִיָה אלא גם ליצור הבנה גדולה יותר של החומר עצמו על ידי בדיקה של תכונות אלקטרוניות קוונטיות.
חסן ציין שיש עניין רב בשימוש בחומרים טופולוגיים ליישומים מעשיים. אבל שתי התקדמויות חשובות צריכות לקרות לפני שניתן יהיה לממש זאת. ראשית, השפעות טופולוגיות קוונטיות חייבות לבוא לידי ביטוי בטמפרטורות גבוהות יותר. שנית, יש למצוא מערכות חומר פשוטות ואלמנטריות (כמו סיליקון לאלקטרוניקה קונבנציונלית) שיכולות לארח תופעות טופולוגיות.
"במעבדות שלנו, יש לנו מאמצים בשני הכיוונים - אנחנו מחפשים מערכות חומרים פשוטות יותר עם קלות ייצור שבהן ניתן למצוא השפעות טופולוגיות חיוניות", אמר חסן. "אנחנו גם מחפשים כיצד ניתן לגרום להשפעות הללו לשרוד בטמפרטורת החדר."
רקע הניסוי
שורשי התגלית נעוצים בפעולת אפקט הול הקוונטי - צורה של אפקט טופולוגי שהיה נושא פרס נובל לפיזיקה בשנת 1985. מאז, שלבים טופולוגיים נחקרו, ומחלקות חדשות רבות של חומרים קוונטיים עם טופולוגיות נמצאו מבנים אלקטרוניים. במיוחד, דניאל צוי, פרופסור הנדסת חשמל אמריטוס של ארתור לגרנד דוטי בפרינסטון, זכה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1998 על גילוי אפקט הול הקוונטי השברירי.
באופן דומה, פ. דאנקן הלדיין, פרופסור לפיזיקה של יוג'ין היגינס בפרינסטון, זכה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2016 על גילויים תיאורטיים של מעברי פאזה טופולוגיים וסוג של מבודד טופולוגי דו-ממדי (2D). פיתוחים תיאורטיים שלאחר מכן הראו כי מבודדים טופולוגיים יכולים ללבוש צורה של שני עותקים של המודל של Haldane המבוסס על אינטראקציית הספין-מסלול של האלקטרון.
חסן וצוות המחקר שלו הלכו בדרכם של חוקרים אלה על ידי חקירת היבטים אחרים של מבודדים טופולוגיים וחיפוש אחר מצבים חדשים של חומר. זה הוביל אותם, בשנת 2007, לגילוי הדוגמאות הראשונות של מבודדים טופולוגיים תלת מימדיים (3D). מאז, חסן וצוותו נמצאים בחיפוש של עשור אחר מצב טופולוגי חדש בצורתו הפשוטה ביותר שיכול לפעול גם בטמפרטורת החדר.
"כימיה אטומית ועיצוב מבנה מתאים בשילוב עם תיאוריית העקרונות הראשונים הם הצעד המכריע להפוך את החיזוי הספקולטיבי של מבודד טופולוגי למציאותי בסביבה של טמפרטורה גבוהה", אמר חסן.
"יש מאות חומרים קוונטיים, ואנחנו צריכים גם אינטואיציה, ניסיון, חישובים ספציפיים לחומרים וגם מאמצים ניסיוניים אינטנסיביים כדי למצוא את החומר המתאים לחקירה מעמיקה בסופו של דבר. וזה לקח אותנו למסע בן עשור של חקירת חומרים רבים המבוססים על ביסמוט, שהוביל לתגליות יסוד רבות".
הניסוי
חומרים מבוססי ביסמוט מסוגלים, לפחות באופן עקרוני, לארח מצב טופולוגי של חומר בטמפרטורות גבוהות. עם זאת, אלה דורשים הכנת חומרים מורכבים בתנאי ואקום גבוה במיוחד, ולכן החוקרים החליטו לחקור מספר מערכות אחרות. חוקר פוסט-דוקטורט, מ"ר שאפאית חוסיין, הציע גביש עשוי ארסן מכיוון שניתן לגדל אותו בצורה נקייה יותר מתרכובות ביסמוט רבות.
כאשר הוסיין ויוקסיו ג'יאנג, סטודנט לתואר שני בקבוצת חסן, הפעילו את ה-STM על דגימת הארסן, הם התקבלו בתצפית דרמטית - ארסן אפור, סוג של ארסן בעל מראה מתכתי, מכיל מצבי פני שטח טופולוגיים ומצבי קצה. בּוֹ זְמַנִית.
"הופתענו. לארסן אפור היו אמורים להיות רק מצבי שטח. אבל כשבדקנו את קצוות הצעדים האטומיים, מצאנו גם מצבי קצוות מוליכים יפים", אמר הוסן.
"לקצה צעד חד-שכבתי מבודד לא צריך להיות מצב קצה ללא פערים", הוסיף Jiang, מחבר ראשון במחקר.
זה מה שרואים בחישובים של פרנק שינדלר, עמית פוסט-דוקטורט ותיאורטיקן של חומר מעובה באימפריאל קולג' בלונדון בבריטניה, וראג'יבול איסלאם, חוקר פוסט-דוקטורט באוניברסיטת אלבמה בבירמינגהם, אלבמה. שניהם מחברים ראשונים של המאמר.
"ברגע שקצה מונח על גבי הדגימה בתפזורת, מצבי פני השטח מתכלאים עם המצבים המרווחים בקצה ויוצרים מצב חסר פערים," אמר שינדלר.
"זו הפעם הראשונה שאנחנו רואים הכלאה כזו", הוסיף.
מבחינה פיזית, מצב חסר פערים שכזה בקצה המדרגה אינו צפוי עבור מבודדים טופולוגיים חזקים או מסדר גבוה בנפרד, אלא רק עבור חומרים היברידיים שבהם קיימים שני סוגי הטופולוגיה הקוונטית. מצב חסר פערים זה גם שונה ממצבי פני השטח או הצירים במבודדים טופולוגיים חזקים ומסדר גבוה יותר, בהתאמה. משמעות הדבר היא שהתצפית הניסויית של צוות פרינסטון הצביעה מיד על סוג של מצב טופולוגי שלא נצפה קודם לכן.
דוד הסיה, יו"ר חטיבת הפיזיקה ב-Caltech וחוקר שלא היה מעורב במחקר, הצביע על מסקנות המחקר החדשניות.
"בדרך כלל, אנו מחשיבים את מבנה הרצועה בתפזורת של חומר כחלק לאחת מכמה מחלקות טופולוגיות נפרדות, שכל אחת מהן קשורה לסוג מסוים של מצב גבול", אמר הסיה. "עבודה זו מראה כי חומרים מסוימים יכולים להתחלק בו זמנית לשתי מחלקות. המעניין ביותר, מצבי הגבול העולים משתי הטופולוגיות הללו יכולים לקיים אינטראקציה ולהיבנות מחדש למצב קוונטי חדש שהוא יותר מסתם סופרפוזיציה של חלקיו."
החוקרים ביססו עוד יותר את מדידות מיקרוסקופ המנהור הסורקות עם ספקטרוסקופיה שיטתית של פוטו-פליטה ברזולוציה גבוהה ברזולוציה גבוהה.
"הדגימה האפורה של ה-As נקייה מאוד, ומצאנו סימנים ברורים של מצב פני השטח טופולוגי", אמרה זי-ג'יה צ'נג, סטודנטית לתואר שני בקבוצת חסן ומחברת הראשונה של המאמר שביצע כמה ממדידות הפוטו-פליטה. .
השילוב של טכניקות ניסוי מרובות איפשר לחוקרים לחקור את ההתכתבות הייחודית של קצה פני השטח הקשורים למצב הטופולוגי ההיברידי - ולאשש את ממצאי הניסוי.
השלכות הממצאים
ההשפעה של גילוי זה היא כפולה. התצפית על מצב הקצה הטופולוגי המשולב ומצב פני השטח סוללת את הדרך להנדסת ערוצי הובלה טופולוגיים חדשים של אלקטרונים. זה עשוי לאפשר תכנון של מדע מידע קוונטי חדש או התקני מחשוב קוונטי.
חוקרי פרינסטון הוכיחו כי מצבי הקצה הטופולוגיים קיימים רק לאורך תצורות גיאומטריות ספציפיות התואמות את הסימטריות של הגביש, מה שמאיר מסלול לתכנון צורות שונות של ננו-מכשירים עתידיים ואלקטרוניקה מבוססת ספין.
מנקודת מבט רחבה יותר, החברה מרוויחה כאשר מתגלים חומרים ומאפיינים חדשים, אמר חסן. בחומרים קוונטיים, הזיהוי של מוצקים אלמנטריים כפלטפורמות חומריות, כגון אנטימון המארח טופולוגיה חזקה או ביסמוט המארח טופולוגיה מסדר גבוה יותר, הוביל לפיתוח חומרים חדשים שהועיל מאוד לתחום החומרים הטופולוגיים.
"אנו מדמיינים שארסן, עם הטופולוגיה הייחודית שלו, יכול לשמש כפלטפורמה חדשה ברמה דומה לפיתוח חומרים טופולוגיים חדשים והתקנים קוונטיים שאינם נגישים כעת באמצעות פלטפורמות קיימות", אמר חסן.
קבוצת פרינסטון תכננה ובנתה ניסויים חדשים לחקר חומרים מבודדים טופולוגיים במשך למעלה מ-15 שנים. בין 2005 ל-2007, למשל, הצוות בראשות חסן גילה סדר טופולוגי במוצק תלת מימדי ביסמוט-אנטימון, סגסוגת מוליכה למחצה וחומרי Dirac טופולוגיים קשורים בשיטות ניסוי חדשניות.
זה הוביל לגילוי חומרים מגנטיים טופולוגיים. בין 2014 ל-2015, הם גילו ופיתחו סוג חדש של חומרים טופולוגיים הנקראים למחצה של Weyl מגנטיים.
החוקרים מאמינים שממצא זה יפתח את הדלת לשורה שלמה של אפשרויות מחקר עתידיות ויישומים בטכנולוגיות קוונטיות, במיוחד במה שמכונה טכנולוגיות "ירקות".
"המחקר שלנו הוא צעד קדימה בהדגמת הפוטנציאל של חומרים טופולוגיים לאלקטרוניקה קוונטית עם יישומים חוסכי אנרגיה", אמר חסן.