นักฟิสิกส์ค้นพบสถานะควอนตัมใหม่ในของแข็งที่เป็นธาตุ

นักฟิสิกส์ได้สังเกตเห็นเอฟเฟกต์ควอนตัมแบบใหม่ที่เรียกว่า "โทโพโลยีไฮบริด" ในวัสดุผลึก การค้นพบนี้เปิดโอกาสใหม่ๆ ในการพัฒนาวัสดุและเทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพสำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมควอนตัมรุ่นต่อไป

การค้นพบนี้ตีพิมพ์ใน ธรรมชาติเกิดขึ้นเมื่อนักวิทยาศาสตร์ของพรินซ์ตันค้นพบว่าผลึกแข็งที่เป็นธาตุที่ทำจากอะตอมของสารหนู (As) มีพฤติกรรมควอนตัมทอพอโลยีในรูปแบบที่ไม่เคยสังเกตมาก่อน พวกเขาสามารถสำรวจและถ่ายภาพสถานะควอนตัมใหม่นี้ได้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกน (STM) และสเปกโทรสโกปีของการปล่อยแสงซึ่งเป็นเทคนิคที่ใช้ในการหาพลังงานสัมพัทธ์ของอิเล็กตรอนในโมเลกุลและอะตอม

สถานะนี้รวมหรือ "ไฮบริด" สองรูปแบบของพฤติกรรมควอนตัมเชิงทอพอโลยี ได้แก่ สถานะขอบและสถานะพื้นผิว ซึ่งเป็นระบบอิเล็กตรอนสองมิติควอนตัมสองประเภท สิ่งเหล่านี้ถูกสังเกตในการทดลองก่อนหน้านี้ แต่ไม่เคยเกิดขึ้นพร้อมกันในวัสดุเดียวกันกับที่พวกมันผสมกันเพื่อสร้างสถานะใหม่ของสสาร

M. Zahid Hasan ศาสตราจารย์สาขาฟิสิกส์ Eugene Higgins จากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน ซึ่งเป็นผู้นำการวิจัยกล่าวว่า "การค้นพบนี้เป็นเรื่องที่คาดไม่ถึงเลย" “ไม่มีใครทำนายได้ในทางทฤษฎีก่อนที่จะสังเกต”

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การศึกษาสถานะทอพอโลยีของสสารดึงดูดความสนใจอย่างมากในหมู่นักฟิสิกส์และวิศวกร และปัจจุบันเป็นจุดสนใจและการวิจัยระดับนานาชาติจำนวนมาก การศึกษาสาขานี้ผสมผสานฟิสิกส์ควอนตัมเข้ากับโทโพโลยี ซึ่งเป็นสาขาหนึ่งของคณิตศาสตร์เชิงทฤษฎีที่สำรวจคุณสมบัติทางเรขาคณิตที่สามารถเปลี่ยนรูปได้แต่ไม่ได้เปลี่ยนแปลงโดยเนื้อแท้

เป็นเวลากว่าทศวรรษที่นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้ฉนวนทอพอโลยีที่ใช้บิสมัท (Bi) เพื่อสาธิตและสำรวจผลกระทบทางควอนตัมที่แปลกใหม่ในของแข็งจำนวนมากซึ่งส่วนใหญ่มาจากการผลิตวัสดุผสม เช่น การผสม Bi กับซีลีเนียม (Se) เป็นต้น อย่างไรก็ตาม การทดลองนี้เป็นครั้งแรกที่มีการค้นพบผลกระทบเชิงทอพอโลยีในผลึกที่ทำจากองค์ประกอบ As

“การค้นหาและการค้นพบคุณสมบัติทอพอโลยีใหม่ๆ ของสสารได้กลายเป็นหนึ่งในสมบัติที่เป็นที่ต้องการมากที่สุดในฟิสิกส์ยุคใหม่ ทั้งจากมุมมองทางฟิสิกส์พื้นฐานและสำหรับการค้นหาการใช้งานที่มีศักยภาพในวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมควอนตัมรุ่นต่อไป” กล่าว ฮาซัน. "การค้นพบสถานะทอพอโลยีใหม่นี้ที่เกิดขึ้นในธาตุที่เป็นของแข็งเกิดขึ้นได้จากความก้าวหน้าทางการทดลองและเครื่องมือวัดที่เป็นนวัตกรรมหลายอย่างในห้องปฏิบัติการของเราที่พรินซ์ตัน"

ธาตุโซลิดทำหน้าที่เป็นแพลตฟอร์มทดลองอันล้ำค่าสำหรับการทดสอบแนวคิดต่างๆ ของโทโพโลยี จนถึงขณะนี้ บิสมัทเป็นองค์ประกอบเดียวที่เป็นแหล่งทอพอโลยีอันอุดมสมบูรณ์ ซึ่งนำไปสู่กิจกรรมการวิจัยที่เข้มข้นถึงสองทศวรรษ สาเหตุส่วนหนึ่งมาจากความสะอาดของวัสดุและความง่ายในการสังเคราะห์ อย่างไรก็ตาม การค้นพบปรากฏการณ์ทอพอโลยีที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นในสารหนูในปัจจุบันอาจปูทางไปสู่แนวทางการวิจัยใหม่และยั่งยืน

“นี่เป็นครั้งแรกที่เราแสดงให้เห็นว่า เช่นเดียวกับปรากฏการณ์ที่มีความสัมพันธ์กันที่แตกต่างกัน ลำดับทอพอโลยีที่แตกต่างกันสามารถโต้ตอบและก่อให้เกิดปรากฏการณ์ควอนตัมใหม่ๆ ที่น่าสนใจได้” Hasan กล่าว

วัสดุทอพอโลยีเป็นองค์ประกอบหลักที่ใช้ในการตรวจสอบความลึกลับของโทโพโลยีควอนตัม อุปกรณ์นี้ทำหน้าที่เป็นฉนวนภายใน ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนภายในไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ จึงไม่นำไฟฟ้า

อย่างไรก็ตาม อิเล็กตรอนบนขอบของอุปกรณ์มีอิสระที่จะเคลื่อนที่ไปมา ซึ่งหมายความว่าพวกมันเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า นอกจากนี้ เนื่องจากคุณสมบัติพิเศษของโทโพโลยี อิเล็กตรอนที่ไหลไปตามขอบจึงไม่ถูกขัดขวางจากข้อบกพร่องหรือการเสียรูปใดๆ อุปกรณ์ประเภทนี้มีศักยภาพไม่เพียงแต่จะปรับปรุงเท่านั้น เทคโนโลยี แต่ยังเพื่อสร้างความเข้าใจที่มากขึ้นเกี่ยวกับสสารด้วยการตรวจสอบคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของควอนตัม

ฮาซันตั้งข้อสังเกตว่ามีความสนใจอย่างมากในการใช้วัสดุทอพอโลยีสำหรับการใช้งานจริง แต่ต้องมีความก้าวหน้าที่สำคัญสองประการก่อนจึงจะสามารถตระหนักได้ ประการแรก ผลกระทบเชิงทอพอโลยีเชิงควอนตัมจะต้องแสดงออกมาที่อุณหภูมิที่สูงขึ้น ประการที่สอง จำเป็นต้องค้นหาระบบวัสดุที่เรียบง่ายและเป็นองค์ประกอบ (เช่น ซิลิคอนสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป) ที่สามารถโฮสต์ปรากฏการณ์ทอพอโลยีได้

“ในห้องปฏิบัติการของเรา เรามีความพยายามในทั้งสองทิศทาง เรากำลังค้นหาระบบวัสดุที่เรียบง่ายกว่าและง่ายต่อการประดิษฐ์ ซึ่งสามารถพบผลกระทบเชิงทอพอโลยีที่สำคัญได้” Hasan กล่าว “เรายังค้นหาว่าผลกระทบเหล่านี้สามารถดำรงอยู่ได้ที่อุณหภูมิห้องได้อย่างไร”

ความเป็นมาของการทดลอง

รากฐานของการค้นพบนี้อยู่ที่การทำงานของเอฟเฟกต์ควอนตัมฮอลล์ ซึ่งเป็นรูปแบบของเอฟเฟกต์ทอพอโลยีที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1985 นับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา เฟสทอพอโลยีได้รับการศึกษา และคลาสใหม่ของวัสดุควอนตัมที่มีทอพอโลยี พบโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ สิ่งที่โดดเด่นที่สุดคือ Daniel Tsui ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าของ Arthur Legrand Doty ที่ Princeton ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1998 จากการค้นพบเอฟเฟกต์ Hall ที่เป็นเศษส่วน

ในทำนองเดียวกัน F. Duncan Haldane ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ของ Eugene Higgins ที่ Princeton ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2016 จากการค้นพบทางทฤษฎีของการเปลี่ยนเฟสทอพอโลยีและฉนวนทอพอโลยีประเภทสองมิติ (2D) การพัฒนาทางทฤษฎีที่ตามมาแสดงให้เห็นว่าฉนวนทอพอโลยีสามารถอยู่ในรูปแบบของแบบจำลองของ Haldane สองชุดโดยอิงตามปฏิสัมพันธ์ของการหมุนรอบวงโคจรของอิเล็กตรอน

ฮาซันและทีมวิจัยของเขาได้เดินตามรอยเท้าของนักวิจัยเหล่านี้โดยการตรวจสอบด้านอื่น ๆ ของฉนวนทอพอโลยีและค้นหาสถานะใหม่ของสสาร สิ่งนี้ทำให้พวกเขาค้นพบตัวอย่างแรกของฉนวนทอพอโลยีสามมิติ (2007D) ในปี 3 ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา Hasan และทีมงานของเขาได้ค้นหาสถานะทอพอโลยีใหม่ในรูปแบบที่เรียบง่ายที่สุดซึ่งสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิห้องมาเป็นเวลานานนับทศวรรษ

“เคมีอะตอมและการออกแบบโครงสร้างที่เหมาะสมควบคู่กับทฤษฎีหลักการแรกเป็นขั้นตอนสำคัญในการทำนายการเก็งกำไรของฉนวนทอพอโลยีที่สมจริงในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง” ฮาซันกล่าว

“มีวัสดุควอนตัมหลายร้อยชนิด และเราต้องการทั้งสัญชาตญาณ ประสบการณ์ การคำนวณเฉพาะวัสดุ และความพยายามในการทดลองอย่างเข้มข้นเพื่อค้นหาวัสดุที่เหมาะสมสำหรับการสำรวจเชิงลึกในที่สุด และนั่นทำให้เราใช้เวลาเดินทางนานนับทศวรรษในการสำรวจวัสดุที่มีพื้นฐานจากบิสมัทจำนวนมาก ซึ่งนำไปสู่การค้นพบพื้นฐานมากมาย”

การทดลอง

วัสดุที่มีพื้นฐานเป็นบิสมัทมีความสามารถอย่างน้อยในหลักการในการรองรับสถานะทอพอโลยีของสสารที่อุณหภูมิสูง อย่างไรก็ตาม สิ่งเหล่านี้จำเป็นต้องมีการเตรียมวัสดุที่ซับซ้อนภายใต้สภาวะสุญญากาศที่สูงเป็นพิเศษ ดังนั้นนักวิจัยจึงตัดสินใจสำรวจระบบอื่นๆ อีกหลายระบบ นักวิจัยหลังปริญญาเอก Md. Shafayat Hossain เสนอแนะคริสตัลที่ทำจากสารหนูเพราะสามารถปลูกได้ในรูปแบบที่สะอาดกว่าสารประกอบบิสมัทหลายชนิด

เมื่อ Hossain และ Yuxiao Jiang นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาในกลุ่ม Hasan เปลี่ยน STM กับตัวอย่างสารหนู พวกเขาได้รับการต้อนรับด้วยการสังเกตที่น่าทึ่ง นั่นคือสารหนูสีเทา ซึ่งเป็นรูปแบบของสารหนูที่มีลักษณะเป็นโลหะ เก็บกักทั้งสถานะพื้นผิวทอพอโลยีและสภาวะขอบ พร้อมกัน

“เราประหลาดใจมาก สารหนูสีเทาควรจะมีสถานะเพียงพื้นผิวเท่านั้น แต่เมื่อเราตรวจสอบขอบขั้นบันไดของอะตอม เราก็พบโหมดขอบนำที่สวยงามด้วย” Hossain กล่าว

“ขอบขั้นตอนชั้นเดียวที่แยกได้ไม่ควรมีโหมดขอบที่ไม่มีช่องว่าง” เจียง ผู้เขียนร่วมคนแรกของการศึกษากล่าวเสริม

นี่คือสิ่งที่เห็นในการคำนวณโดย Frank Schindler นักวิจัยหลังปริญญาเอกและนักทฤษฎีเรื่องย่อที่ Imperial College London ในสหราชอาณาจักร และ Rajibul Islam นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ University of Alabama ในเบอร์มิงแฮม รัฐแอละแบมา ทั้งสองเป็นผู้เขียนร่วมคนแรกของบทความนี้

“เมื่อวางขอบไว้ด้านบนของตัวอย่างจำนวนมาก สถานะของพื้นผิวจะผสมกับสถานะช่องว่างบนขอบ และสร้างสถานะที่ไม่มีช่องว่าง” ชินด์เลอร์กล่าว

“นี่เป็นครั้งแรกที่เราได้เห็นการผสมข้ามพันธุ์เช่นนี้” เขากล่าวเสริม

ในทางกายภาพ สถานะที่ไม่มีช่องว่างบนขอบขั้นบันไดนั้นไม่ได้คาดหวังไว้สำหรับฉนวนทอพอโลยีที่มีลำดับสูงหรือแข็งแกร่งแยกจากกัน แต่สำหรับวัสดุไฮบริดที่มีโทโพโลยีควอนตัมทั้งสองชนิดอยู่ สถานะที่ไม่มีช่องว่างนี้ยังแตกต่างจากสถานะของพื้นผิวหรือบานพับในฉนวนทอพอโลยีที่แข็งแกร่งและลำดับที่สูงกว่าตามลำดับ ซึ่งหมายความว่าการสังเกตการทดลองโดยทีมงานพรินซ์ตันระบุสถานะทอพอโลยีที่ไม่เคยสังเกตมาก่อนในทันที

David Hsieh ประธานแผนกฟิสิกส์ของ Caltech และนักวิจัยที่ไม่เกี่ยวข้องกับการศึกษาวิจัยนี้ ชี้ให้เห็นถึงข้อสรุปเชิงนวัตกรรมของการศึกษาวิจัยนี้

“โดยทั่วไปแล้ว เราถือว่าโครงสร้างแถบปริมาณมากของวัสดุจะจัดอยู่ในประเภททอพอโลยีที่แตกต่างกันหลายประเภท ซึ่งแต่ละประเภทจะเชื่อมโยงกับสถานะขอบเขตประเภทเฉพาะ” Hsieh กล่าว “งานนี้แสดงให้เห็นว่าวัสดุบางชนิดสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทพร้อมกันได้ สิ่งที่น่าสนใจที่สุดคือ ขอบเขตขอบเขตที่เกิดขึ้นจากโทโพโลยีทั้งสองนี้สามารถโต้ตอบและสร้างใหม่ให้เป็นสถานะควอนตัมใหม่ที่เป็นมากกว่าการซ้อนทับกันของส่วนต่างๆ ของมัน”

นักวิจัยยังได้ยืนยันการวัดด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกนด้วยสเปกโทรสโกปีการแผ่รังสีด้วยมุมที่มีความละเอียดสูงอย่างเป็นระบบ

“ตัวอย่างสีเทานั้นสะอาดมาก และเราพบลายเซ็นที่ชัดเจนของสถานะพื้นผิวทอพอโลยี” Zi-Jia Cheng นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาในกลุ่ม Hasan และผู้เขียนร่วมคนแรกของรายงานที่ทำการวัดการปล่อยแสงบางส่วนกล่าว .

การรวมกันของเทคนิคการทดลองหลายอย่างช่วยให้นักวิจัยสามารถตรวจสอบความสอดคล้องของขอบพื้นผิวจำนวนมากที่เกี่ยวข้องกับสถานะทอพอโลยีไฮบริดและยืนยันผลการทดลอง

ผลกระทบของการค้นพบ

ผลกระทบของการค้นพบนี้มีสองเท่า การสังเกตโหมดขอบทอพอโลยีแบบรวมและสถานะพื้นผิวปูทางไปสู่การสร้างช่องทางการขนส่งอิเล็กตรอนเชิงทอพอโลยีใหม่ สิ่งนี้อาจช่วยให้สามารถออกแบบวิทยาศาสตร์ข้อมูลควอนตัมใหม่หรืออุปกรณ์คอมพิวเตอร์ควอนตัมได้

นักวิจัยของ Princeton แสดงให้เห็นว่าโหมดขอบทอพอโลยีมีอยู่เฉพาะในการกำหนดค่าทางเรขาคณิตเฉพาะที่เข้ากันได้กับสมมาตรของคริสตัล ซึ่งส่องสว่างถึงแนวทางในการออกแบบอุปกรณ์นาโนและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบหมุนในอนาคตในรูปแบบต่างๆ

จากมุมมองที่กว้างขึ้น สังคมจะได้รับประโยชน์เมื่อมีการค้นพบวัสดุและคุณสมบัติใหม่ๆ ฮาซันกล่าว ในวัสดุควอนตัม การระบุของแข็งของธาตุเป็นฐานของวัสดุ เช่น พลวงที่เป็นโฮสต์ของโทโพโลยีที่แข็งแกร่ง หรือบิสมัทที่เป็นโฮสต์ของโทโพโลยีที่มีลำดับสูงกว่า ได้นำไปสู่การพัฒนาวัสดุใหม่ที่มีประโยชน์อย่างมากในด้านวัสดุทอพอโลยี

“เรามองเห็นว่าสารหนูซึ่งมีโทโพโลยีที่เป็นเอกลักษณ์ สามารถทำหน้าที่เป็นแพลตฟอร์มใหม่ในระดับที่ใกล้เคียงกันสำหรับการพัฒนาวัสดุทอพอโลยีใหม่ๆ และอุปกรณ์ควอนตัมที่ไม่สามารถเข้าถึงได้ผ่านแพลตฟอร์มที่มีอยู่ในปัจจุบัน” ฮาซันกล่าว

กลุ่ม Princeton ได้ออกแบบและสร้างการทดลองใหม่สำหรับการสำรวจวัสดุฉนวนทอพอโลยีมานานกว่า 15 ปี ตัวอย่างเช่น ระหว่างปี 2005 ถึง 2007 ทีมงานที่นำโดย Hasan ค้นพบลำดับทอพอโลยีในของแข็งปริมาณบิสมัท-พลวงสามมิติ โลหะผสมเซมิคอนดักเตอร์ และวัสดุ Dirac เชิงทอพอโลยีที่เกี่ยวข้องโดยใช้วิธีการทดลองแบบใหม่

สิ่งนี้นำไปสู่การค้นพบวัสดุแม่เหล็กทอพอโลยี ระหว่างปี พ.ศ. 2014 ถึง พ.ศ. 2015 พวกเขาค้นพบและพัฒนาวัสดุทอพอโลยีประเภทใหม่ที่เรียกว่ากึ่งโลหะไวล์แม่เหล็ก

นักวิจัยเชื่อว่าการค้นพบนี้จะเปิดประตูสู่ความเป็นไปได้ในการวิจัยและการประยุกต์เทคโนโลยีควอนตัมในอนาคต โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเทคโนโลยีที่เรียกว่า "สีเขียว"

“การวิจัยของเราเป็นก้าวไปข้างหน้าในการแสดงให้เห็นถึงศักยภาพของวัสดุทอพอโลยีสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควอนตัมพร้อมการใช้งานที่ประหยัดพลังงาน” Hasan กล่าว