Các nhà vật lý đã quan sát thấy một hiệu ứng lượng tử mới gọi là “cấu trúc liên kết lai” trong một vật liệu tinh thể. Phát hiện này mở ra nhiều khả năng mới cho việc phát triển các vật liệu và công nghệ hiệu quả cho khoa học và kỹ thuật lượng tử thế hệ tiếp theo.
Phát hiện này được công bố trên Thiên nhiên, xuất hiện khi các nhà khoa học Princeton phát hiện ra rằng một tinh thể rắn nguyên tố được tạo thành từ các nguyên tử asen (As) chứa một dạng hành vi lượng tử tôpô chưa từng được quan sát trước đây. Họ đã có thể khám phá và ghi lại hình ảnh trạng thái lượng tử mới lạ này bằng cách sử dụng kính hiển vi quét đường hầm (STM) và quang phổ quang phát xạ, đây là kỹ thuật được sử dụng để xác định năng lượng tương đối của các electron trong phân tử và nguyên tử.
Trạng thái này kết hợp hoặc “lai” hai dạng hành vi lượng tử tôpô – trạng thái biên và trạng thái bề mặt, là hai loại hệ thống điện tử lượng tử hai chiều. Những điều này đã được quan sát thấy trong các thí nghiệm trước đây, nhưng chưa bao giờ xảy ra đồng thời trong cùng một vật liệu nơi chúng trộn lẫn để tạo thành một trạng thái vật chất mới.
M. Zahid Hasan, Giáo sư Vật lý Eugene Higgins tại Đại học Princeton, người đứng đầu nghiên cứu, cho biết: “Phát hiện này hoàn toàn bất ngờ”. “Không ai dự đoán được nó trên lý thuyết trước khi quan sát nó.”
Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu các trạng thái tôpô của vật chất đã thu hút được sự chú ý đáng kể của các nhà vật lý và kỹ sư và hiện đang là tâm điểm của nhiều sự quan tâm và nghiên cứu quốc tế. Lĩnh vực nghiên cứu này kết hợp vật lý lượng tử với cấu trúc liên kết—một nhánh của toán học lý thuyết khám phá các tính chất hình học có thể bị biến dạng nhưng không thay đổi về bản chất.
Trong hơn một thập kỷ, các nhà khoa học đã sử dụng chất cách điện tôpô dựa trên bismuth (Bi) để chứng minh và khám phá các hiệu ứng lượng tử kỳ lạ trong chất rắn khối, chủ yếu bằng cách sản xuất vật liệu hỗn hợp, chẳng hạn như trộn Bi với selen (Se). Tuy nhiên, thí nghiệm này là lần đầu tiên các hiệu ứng tôpô được phát hiện trong các tinh thể cấu tạo từ nguyên tố As.
“Việc tìm kiếm và khám phá các đặc tính tôpô mới của vật chất đã nổi lên như một trong những kho báu được tìm kiếm nhiều nhất trong vật lý hiện đại, cả từ quan điểm vật lý cơ bản lẫn tìm kiếm các ứng dụng tiềm năng trong khoa học và kỹ thuật lượng tử thế hệ tiếp theo,” cho biết. Hasan. “Việc phát hiện ra trạng thái tôpô mới này được tạo ra trong chất rắn nguyên tố được thực hiện nhờ nhiều tiến bộ thử nghiệm cải tiến và thiết bị đo đạc trong phòng thí nghiệm của chúng tôi tại Princeton.”
Một khối nguyên tố đóng vai trò như một nền tảng thử nghiệm vô giá để kiểm tra các khái niệm khác nhau về cấu trúc liên kết. Cho đến nay, bismuth là nguyên tố duy nhất chứa đựng một tấm thảm topo phong phú, dẫn đến các hoạt động nghiên cứu chuyên sâu kéo dài suốt hai thập kỷ. Điều này một phần là do độ sạch của vật liệu và sự dễ tổng hợp. Tuy nhiên, việc phát hiện hiện nay về các hiện tượng tôpô thậm chí còn phong phú hơn ở asen sẽ có khả năng mở đường cho những hướng nghiên cứu mới và bền vững.
Hasan nói: “Lần đầu tiên, chúng tôi chứng minh rằng giống như các hiện tượng tương quan khác nhau, các trật tự tôpô riêng biệt cũng có thể tương tác và làm phát sinh các hiện tượng lượng tử mới và hấp dẫn”.
Vật liệu tôpô là thành phần chính được sử dụng để nghiên cứu những bí ẩn của cấu trúc liên kết lượng tử. Thiết bị này hoạt động như một chất cách điện bên trong, có nghĩa là các electron bên trong không thể tự do di chuyển xung quanh và do đó, không dẫn điện.
Tuy nhiên, các electron trên các cạnh của thiết bị có thể tự do di chuyển xung quanh, nghĩa là chúng có tính dẫn điện. Hơn nữa, do các tính chất đặc biệt của cấu trúc liên kết, các electron chạy dọc theo các cạnh không bị cản trở bởi bất kỳ khuyết tật hoặc biến dạng nào. Loại thiết bị này không chỉ có tiềm năng cải thiện công nghệ mà còn tạo ra sự hiểu biết sâu sắc hơn về bản thân vật chất bằng cách thăm dò các đặc tính điện tử lượng tử.
Hasan lưu ý rằng có nhiều sự quan tâm đến việc sử dụng các vật liệu tôpô cho các ứng dụng thực tế. Nhưng có hai tiến bộ quan trọng cần phải xảy ra trước khi điều này có thể thành hiện thực. Đầu tiên, các hiệu ứng tôpô lượng tử phải được biểu hiện ở nhiệt độ cao hơn. Thứ hai, cần phải tìm ra các hệ thống vật liệu đơn giản và cơ bản (như silicon cho thiết bị điện tử thông thường) có thể chứa các hiện tượng tôpô.
Hasan cho biết: “Trong phòng thí nghiệm của chúng tôi, chúng tôi nỗ lực theo cả hai hướng – chúng tôi đang tìm kiếm các hệ thống vật liệu đơn giản hơn, dễ chế tạo, nơi có thể tìm thấy các hiệu ứng tôpô thiết yếu”. “Chúng tôi cũng đang tìm cách tạo ra những hiệu ứng này để tồn tại ở nhiệt độ phòng.”
Bối cảnh của thí nghiệm
Nguồn gốc của khám phá này nằm ở hoạt động của hiệu ứng Hall lượng tử—một dạng hiệu ứng tôpô từng là chủ đề của giải Nobel Vật lý năm 1985. Kể từ thời điểm đó, các pha tôpô đã được nghiên cứu và nhiều loại vật liệu lượng tử mới có cấu trúc tôpô các cấu trúc điện tử đã được tìm thấy. Đáng chú ý nhất là Daniel Tsui, Giáo sư danh dự về Kỹ thuật Điện Arthur Legrand Doty, tại Princeton, đã đoạt giải Nobel Vật lý năm 1998 vì đã khám phá ra hiệu ứng Hall lượng tử phân đoạn.
Tương tự, F. Duncan Haldane, Giáo sư Vật lý Eugene Higgins tại Princeton, đã đoạt giải Nobel Vật lý năm 2016 cho những khám phá lý thuyết về sự chuyển pha tôpô và một loại chất cách điện tôpô hai chiều (2D). Những phát triển lý thuyết sau đó cho thấy các chất cách điện tôpô có thể có dạng hai bản sao của mô hình Haldane dựa trên tương tác quỹ đạo quay của electron.
Hasan và nhóm nghiên cứu của ông đã theo bước các nhà nghiên cứu này bằng cách nghiên cứu các khía cạnh khác của chất cách điện tôpô và tìm kiếm các trạng thái mới của vật chất. Điều này đã khiến họ, vào năm 2007, phát hiện ra những ví dụ đầu tiên về chất cách điện tôpô ba chiều (3D). Kể từ đó, Hasan và nhóm của ông đã thực hiện cuộc tìm kiếm kéo dài hàng thập kỷ để tìm kiếm một trạng thái tôpô mới ở dạng đơn giản nhất có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng.
Hasan cho biết: “Thiết kế cấu trúc và hóa học nguyên tử phù hợp kết hợp với lý thuyết các nguyên lý đầu tiên là bước quan trọng để biến dự đoán suy đoán của chất cách điện tôpô thành hiện thực trong môi trường nhiệt độ cao”.
“Có hàng trăm vật liệu lượng tử và chúng ta cần cả trực giác, kinh nghiệm, tính toán dành riêng cho vật liệu và nỗ lực thử nghiệm mãnh liệt để tìm ra vật liệu phù hợp cho việc khám phá chuyên sâu. Và điều đó đã đưa chúng tôi vào hành trình kéo dài hàng thập kỷ để nghiên cứu nhiều vật liệu dựa trên bismuth, dẫn đến nhiều khám phá mang tính nền tảng.”
Cuộc thí nghiệm
Về nguyên tắc, các vật liệu dựa trên bismuth có khả năng lưu trữ trạng thái tôpô của vật chất ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, những phương pháp này đòi hỏi phải chuẩn bị vật liệu phức tạp trong điều kiện chân không cực cao, vì vậy các nhà nghiên cứu quyết định khám phá một số hệ thống khác. Nhà nghiên cứu sau tiến sĩ, Md. Shafayat Hossain đã đề xuất một tinh thể làm từ asen vì nó có thể được nuôi ở dạng sạch hơn nhiều hợp chất bismuth.
Khi Hossain và Yuxiao Jiang, một sinh viên tốt nghiệp trong nhóm Hasan, bật STM trên mẫu asen, họ đã nhận được một quan sát ấn tượng—asen màu xám, một dạng asen có vẻ ngoài kim loại, chứa cả trạng thái bề mặt tôpô và trạng thái rìa. đồng thời.
"Chung tôi đa rât ngạc nhiên. Asen xám được cho là chỉ có trạng thái bề mặt. Nhưng khi chúng tôi kiểm tra các cạnh bậc nguyên tử, chúng tôi cũng tìm thấy các dạng cạnh dẫn điện rất đẹp”, Hossain nói.
Jiang, đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu, cho biết thêm: “Cạnh bước đơn lớp bị cô lập không nên có chế độ cạnh không có khoảng cách”.
Đây là những gì được thấy trong các tính toán của Frank Schindler, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ và nhà lý thuyết vật chất ngưng tụ tại Đại học Hoàng gia Luân Đôn ở Vương quốc Anh, và Rajibul Islam, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Alabama ở Birmingham, Alabama. Cả hai đều là đồng tác giả đầu tiên của bài báo.
Schindler cho biết: “Khi một cạnh được đặt lên trên mẫu khối, các trạng thái bề mặt sẽ lai với các trạng thái có khe hở trên cạnh và tạo thành trạng thái không có khe hở”.
Ông nói thêm: “Đây là lần đầu tiên chúng tôi thấy sự lai tạo như vậy”.
Về mặt vật lý, trạng thái không có khe hở như vậy ở cạnh bước không được mong đợi đối với các chất cách điện tôpô bậc cao hoặc mạnh mà chỉ dành cho các vật liệu lai có cả hai loại cấu trúc liên kết lượng tử. Trạng thái không khe hở này cũng không giống như trạng thái bề mặt hoặc bản lề trong các chất cách điện tôpô bậc cao và mạnh tương ứng. Điều này có nghĩa là quan sát thực nghiệm của đội Princeton ngay lập tức chỉ ra một loại trạng thái tôpô chưa từng được quan sát trước đây.
David Hsieh, Chủ tịch Khoa Vật lý tại Caltech và là nhà nghiên cứu không tham gia vào nghiên cứu, đã chỉ ra những kết luận có tính đổi mới của nghiên cứu.
Hsieh cho biết: “Thông thường, chúng tôi coi cấu trúc dải khối của vật liệu thuộc một trong số các lớp tôpô riêng biệt, mỗi lớp gắn với một loại trạng thái biên cụ thể”. “Công trình này cho thấy một số vật liệu nhất định có thể đồng thời được chia thành hai loại. Điều thú vị nhất là các trạng thái ranh giới xuất hiện từ hai cấu trúc liên kết này có thể tương tác và tái cấu trúc thành một trạng thái lượng tử mới không chỉ là sự chồng chất của các bộ phận của nó.”
Các nhà nghiên cứu đã chứng minh thêm các phép đo kính hiển vi quét đường hầm bằng phương pháp quang phổ quang hóa phân giải góc có độ phân giải cao có hệ thống.
Zi-Jia Cheng, một nghiên cứu sinh trong nhóm Hasan và là đồng tác giả đầu tiên của bài báo, người đã thực hiện một số phép đo quang phát, cho biết: “Mẫu As màu xám rất sạch và chúng tôi đã tìm thấy những dấu hiệu rõ ràng về trạng thái bề mặt tôpô”. .
Sự kết hợp của nhiều kỹ thuật thử nghiệm cho phép các nhà nghiên cứu thăm dò sự tương ứng độc đáo giữa các cạnh bề mặt liên quan đến trạng thái tôpô lai—và chứng thực các phát hiện thực nghiệm.
Ý nghĩa của những phát hiện
Tác động của khám phá này là gấp đôi. Việc quan sát chế độ cạnh tôpô kết hợp và trạng thái bề mặt mở đường cho việc thiết kế các kênh vận chuyển điện tử tôpô mới. Điều này có thể cho phép thiết kế các thiết bị khoa học thông tin lượng tử hoặc điện toán lượng tử mới.
Các nhà nghiên cứu của Princeton đã chứng minh rằng các chế độ cạnh tôpô chỉ xuất hiện dọc theo các cấu hình hình học cụ thể tương thích với sự đối xứng của tinh thể, làm sáng tỏ con đường thiết kế các dạng thiết bị nano và thiết bị điện tử dựa trên spin trong tương lai.
Hasan cho biết, từ góc độ rộng hơn, xã hội được hưởng lợi khi các vật liệu và đặc tính mới được phát hiện. Trong vật liệu lượng tử, việc xác định chất rắn nguyên tố làm nền tảng vật chất, chẳng hạn như antimon chứa cấu trúc liên kết mạnh hoặc bismuth chứa cấu trúc liên kết bậc cao hơn, đã dẫn đến sự phát triển của các vật liệu mới mang lại lợi ích to lớn cho lĩnh vực vật liệu cấu trúc liên kết.
Hasan cho biết: “Chúng tôi hình dung rằng asen, với cấu trúc liên kết độc đáo của nó, có thể đóng vai trò là một nền tảng mới ở cấp độ tương tự để phát triển các vật liệu cấu trúc liên kết mới và các thiết bị lượng tử mà hiện không thể truy cập được thông qua các nền tảng hiện có”.
Nhóm Princeton đã thiết kế và xây dựng các thí nghiệm mới nhằm khám phá vật liệu cách điện tôpô trong hơn 15 năm. Ví dụ, từ năm 2005 đến năm 2007, nhóm do Hasan dẫn đầu đã phát hiện ra trật tự tôpô trong chất rắn khối bismuth-antimon ba chiều, một hợp kim bán dẫn và các vật liệu Dirac tôpô liên quan bằng các phương pháp thí nghiệm mới.
Điều này dẫn đến việc phát hiện ra các vật liệu từ tính tôpô. Từ năm 2014 đến năm 2015, họ đã phát hiện và phát triển một loại vật liệu tôpô mới gọi là bán kim loại Weyl từ tính.
Các nhà nghiên cứu tin rằng phát hiện này sẽ mở ra cánh cửa cho rất nhiều khả năng nghiên cứu và ứng dụng trong tương lai về công nghệ lượng tử, đặc biệt là trong cái gọi là công nghệ “xanh”.
Hasan cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi là một bước tiến trong việc chứng minh tiềm năng của vật liệu tôpô cho điện tử lượng tử với các ứng dụng tiết kiệm năng lượng”.