В загадочном материале обнаружили квантовое состояние при комнатной температуре. Разве это возможно?
Этот материал позволил ученым впервые взглянуть на экзотическое квантовое состояние при комнатной температуре.
Топологический изолятор — это материал со структурой, которая уникальным образом проводит электроны. Основная часть материала является изолятором, полностью препятствующим прохождению через него электронов. Однако тонкие слои на его поверхности и по краям обладают высокой проводимостью, что позволяет электронам свободно течь по ним с высокой эффективностью. Благодаря этим странным свойствам, топологические изоляторы могут быть полезны для создания квантовых устройств будущего.
Квантовое состояние при комнатной температуре
Большинство квантовых состояний чрезвычайно хрупки и разрушаются в результате интерференции. Тепло, или тепловой шум, является основным триггером — когда материалы нагреваются, атомы в них вибрируют при более высоких энергиях, что нарушает квантовое состояние. Таким образом, большинство экспериментов и технологий, использующих квантовые эффекты, должны проводиться при температурах, близких к абсолютному нулю, когда движение атомов замедляется. Но это, в свою очередь, делает эти технологии непрактичными для широкого применения.
В новом исследовании ученые из Принстона нашли способ обойти это, наблюдая квантовые эффекты в топологическом изоляторе при комнатной температуре. В качестве основного материала они выбрали неорганическое кристаллическое соединение, известное как бромид висмута.
Было обнаружено, что у этого материала как раз подходящая ширина запрещенной зоны, изолирующего «барьера», который не могут преодолеть электроны с определенными уровнями энергии. Эта запрещенная зона должна быть достаточно широкой для защиты от теплового шума, но не настолько широкой, чтобы нарушать эффект спин-орбитальной связи электронов, который жизненно важен для поддержания их стабильности. Было обнаружено, что бромид висмута имеет запрещенную зону более 200 миллиэлектронвольт — идеальную для поддержания стабильного квантового состояния при комнатной температуре.
Команда подтвердила свое открытие, наблюдая так называемое квантовое спиновое краевое состояние Холла, явление, уникальное для этих топологических систем. Исследователи говорят, что этот прорыв будет полезен в совершенствовании квантовых технологий, например, спинтроники — развивающейся области физики, в которой разрабатываются устройства, позволяющие кодировать данные в спинах электронов с более высокой эффективностью, чем современная электроника.
