Noul model explică materialul cuantic 3D

Ilustrația arată electronii dintr-un metal cuantic topologic care așteaptă să fie activați de un câmp magnetic. Odată ce încep să se miște, urmează o spirală în spirală în sus, spre deosebire de imaginea propusă anterior de electroni care se mișcă în cercuri într-un plan bidimensional. Acest lucru creează un efect special care stă la baza unor fenomene cuantice topologice promițătoare.

Oamenii de știință din grupul de excelență ct.qmat – Complexitate și topologie în materia cuantică au dezvoltat o nouă înțelegere a comportamentului electronilor în câmpuri magnetice puternice. Rezultatele lor explică măsurătorile curenților electrici din materiale tridimensionale care indică un efect cuantic Hall, fenomen care până acum era asociat doar cu metalele bidimensionale. Acest nou efect 3D ar putea sta la baza fenomenelor cuantice topologice, despre care se crede că sunt deosebit de robuste și, prin urmare, promițătoare pentru tehnologii cuantice extrem de puternice. Aceste rezultate tocmai au fost publicate în revista științifică Comunicări despre natură.

Dr. Tobias Meng și Dr. Johannes Gooth sunt cercetători inițiali la Clusterul de Excelență Würzburg-Dresdner ct.qmat care investighează materialele cuantice topologice din 2019. Cu greu ne-am putea crede concluziile unei publicații recente în Natură afirmând că electronii pentatelidei topologice de zirconiu metalic (ZrTe5) se mișcă numai în planuri bidimensionale, chiar dacă materialul este tridimensional. Prin urmare, Meng și Gooth au început propriile lor cercetări și experimente pe materialul ZrTe5. Meng de la Technische Universität Dresden (TUD) a dezvoltat modelul teoretic, Gooth al Institutului Max Planck pentru Chimia Chimică a Solidelor a proiectat experimentele. Șapte măsuri cu tehnici diferite conduc întotdeauna la aceeași concluzie.

Electronii își așteaptă rândul

Cercetările lui Meng și Gooth atrag o nouă imagine a modului în care funcționează efectul Hall în materiale tridimensionale. Oamenii de știință cred că electronii se deplasează prin metal în moduri tridimensionale, dar transportul lor electric poate apărea în continuare ca bidimensional. În pentatelida topologică de zirconiu metalic, acest lucru este posibil, deoarece o fracțiune de electroni este încă în curs de a fi activată de un câmp magnetic extern.

“Modul în care se mișcă electronii este consistent în toate măsurătorile noastre și este similar cu ceea ce se știe din efectele cuantice bidimensionale ale lui Hall. Dar electronii noștri se mișcă în sus în spirale, mai degrabă decât să fie limitați la o singură mișcare. Aceasta este o diferență interesantă față de Efectul Quantum Hall și scenariile propuse pentru materialul ZrTe.5,Meng comentează geneza noului său model științific. „Acest lucru funcționează doar pentru că nu toți electronii se mișcă tot timpul. Unii stau nemișcați, parcă ar face coadă. Doar atunci când se aplică un câmp magnetic extern sunt activate ”.

Experimentele confirmă modelul

Pentru experimentele lor, oamenii de știință au răcit materialul cuantic topologic la -271 grade Celsius și a aplicat un câmp magnetic extern. Apoi au efectuat măsurători electrice și termoelectrice prin trimiterea curenților prin eșantion, au studiat termodinamica acestora prin analiza proprietăților magnetice ale materialului și au aplicat ultrasunete. Au folosit chiar spectroscopie cu raze X, Raman și electronice pentru a examina funcționarea internă a materialului. „Dar niciuna dintre măsurătorile noastre nu a presupus că electronii s-au mișcat doar bidimensional”, explică Meng, șeful grupului de design cuantic Emmy Noether al TUD și principalul teoretician al prezentului proiect. „Modelul nostru este de fapt surprinzător de simplu și explică perfect toate datele experimentale.”

Perspective ale materialelor cuantice topologice în 3D

Efectul Hall cuantic câștigător al Premiului Nobel a fost descoperit în 1980 și descrie conducerea treptată a curentului într-un metal. Este o piatră de temelie a fizicii topologice, un domeniu care a cunoscut o creștere din 2005 datorită promisiunilor sale despre materialele funcționale ale celui de-al 21-lea.c secol. Până în prezent, însă, efectul cuantic Hall a fost observat doar în metalele bidimensionale.

Rezultatele științifice ale acestei publicații extind înțelegerea modului în care se comportă materialele tridimensionale în câmpurile magnetice. Membrii grupului Meng și Gooth intenționează să continue această nouă direcție de cercetare: „Cu siguranță dorim să investigăm mai detaliat comportamentul cozii electronilor în metalele 3D”, spune Meng.

Oameni implicati

Pe lângă membrii grupului de cercetare Quantum Design al lui Tobias Meng la TUD, publicația a fost co-dirijată de oamenii de știință din echipa lui Johannes Gooth de la Institutul Max Planck pentru fizica statelor solide. S-au efectuat măsurători cu ultrasunete a Centrul Helmholtz Dresda-Rossendorf.

Referință: „Originea efectului Hall cvasi-cuantificat în ZrTe5” de S. Galeski, T. Ehmcke, R. Wawrzyńczak, PM Lozano, K. Cho, A. Sharma, S. Das, F. Küster, P. Sessi, M. Brando, R. Küchler, A. Markou, M. König, P. Swekis, C. Felser, Y. Sassa, Q. Li, G. Gu, MV Zimmermann, O. Ivashko, DI Gorbunov, S. Zherlitsyn, T. Förster, SSP Parkin, J. Wosnitza, T. Meng și J. Gooth, 27 mai 2021, Comunicări despre natură.
DOI: 10.1038 / s41467-021-23435-i

Cluster de excelență ct.qmat

Clusterul de excelență ct.qmat – Complexitate și topologie în materia cuantică este o colaborare de cercetare comună a Julius-Maximilians-Universität Würzburg și Technische Universität (TU) din Dresda din 2019. Peste 250 de oameni de știință din 33 de țări și patru continente efectuează cercetări cu privire la materialele cuantice topologice care dezvăluie fenomene surprinzătoare. cum ar fi temperatura ultra scăzută, presiunea ridicată sau câmpul magnetic puternic. Utilizarea acestor proprietăți speciale în condițiile de zi cu zi va sta la baza cipurilor cuantice revoluționare și a noilor tipuri de aplicații tehnice. Clusterul de excelență este finanțat în cadrul Strategiei de excelență a guvernelor federale și de stat.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Inginerii dezvoltă o nouă tehnologie de tratare a apei care ar putea ajuta și exploratorii Marte

Un catalizator care distruge percloratul din apă poate curăța solul marțian. O echipă condusă de ingineri de la Universitatea din California Riverside a dezvoltat un...

Dezechilibrul energetic al Pământului s-a dublat

Faceți clic pe imaginea pentru a anima: Comparația estimărilor anuale suprapuse la intervale de 6 luni ale fluxului anual net de energie în atmosfera...

Modul în care celulele folosesc „pungile pentru gunoi” pentru a-și transporta deșeurile de reciclare

Descoperirile pot avea implicații importante pentru înțelegerea bolilor legate de vârstă. Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebys au obținut o perspectivă mai profundă...

Cercetătorii iau distribuția cheii cuantice din laborator

Dovezile pe teren arată că simpla funcționare a sistemului DCC cu rețeaua de telecomunicații existentă în Italia. Într-un nou studiu, cercetătorii au demonstrat un sistem...

Știința simplificată: ce sunt rețelele cuantice?

din Departamentul Energiei din SUA 17 iunie 2021 Părțile interesate din guvern, laboratoare naționale, universități și industrie s-au alăturat DOE Internet Quantum Project Workshop pentru a...

Newsletter

Subscribe to stay updated.