اپتیک و کوانتوم

مواد تغییر دهنده فاز در حافظه دیجیتال غیرفرار تجاری موجود استفاده شده اند. برای مثال، در دی‌وی‌دی‌های قابل بازنویسی، از لیزر برای گرم کردن تکه‌های کوچک موادی استفاده می‌شود که خنک می‌شوند تا بلورها یا توده‌های بی‌شکل را تشکیل دهند. دو فاز از ماده، که خواص نوری بسیار متفاوتی دارند، برای ذخیره یک و صفر بیت های دیجیتالی اطلاعات استفاده می شود.

در یک مطالعه که اخیراً در Nature Communications منتشر شد، مینگ یی، فیزیکدان رایس و همکارانش نشان دادند که می توانند از گرما برای جابجایی کریستالی از آهن، ژرمانیوم و تلوریم بین دو فاز الکترونیکی استفاده کنند. در هر یک از اینها، حرکت محدود الکترون ها، حالت های کوانتومی محافظت شده توپولوژیکی ایجاد می کند. در نهایت، ذخیره کیوبیت ها در حالت های توپولوژیکی محافظت شده می تواند به طور بالقوه خطاهای مرتبط با ناهمدوسی را کاهش دهد.

یی درباره این کشف گفت: «این کاملاً غافلگیرکننده بود. ما ابتدا به این ماده به دلیل خواص مغناطیسی اش علاقه مند بودیم. اما اندازه گیری انجام می دادیم و این یک فاز را می دیدیم و سپس برای اندازه گیری دیگری فاز دیگر را می دیدیم. اسماً همان ماده بود، اما نتایج خیلی متفاوت بود.» بیش از دو سال و کار مشترک با ده‌ها همکار برای رمزگشایی از آنچه در آزمایش‌ها اتفاق می‌افتاد طول کشید. محققان دریافتند برخی از نمونه‌های کریستال زمانی که قبل از آزمایش گرم می‌شدند، سریع‌تر از بقیه سرد می‌شدند.

برخلاف مواد مورد استفاده در بیشتر فناوری حافظه تغییر فاز، یی و همکاران دریافتند که آلیاژ آهن-ژرمانیوم-تلوریم برای تغییر فاز نیازی به ذوب و تبلور مجدد ندارد. در عوض، آنها دریافتند که مکان‌های اتمی خالی در شبکه کریستال، که به عنوان جاهای خالی شناخته می‌شوند، بسته به سرعت سرد شدن کریستال، در الگوهای مرتب‌بندی متفاوتی مرتب شده‌اند. برای جابجایی از یک فاز طرح‌دار به فاز دیگر، آنها نشان دادند که می‌توانند به سادگی کریستال را دوباره گرم کرده و آن را برای مدت طولانی‌تر یا کوتاه‌تر خنک کنند. یی گفت: «اگر می‌خواهید مرتبه جای خالی یک ماده را تغییر دهید، معمولاً در دمای بسیار پایین‌تر از آنچه برای ذوب کردن همه چیز نیاز دارید، اتفاق می‌افتد. او گفت که مطالعات اندکی بررسی کرده اند که چگونه خواص توپولوژیکی مواد کوانتومی در پاسخ به تغییرات در ترتیب جای خالی تغییر می کند. کیمیائو سی، فیزیکدان نظری رایس، یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت: "من شگفت انگیز می دانم که همکاران تجربی من می توانند تغییر تقارن کریستالی را ترتیب دهند. این یک ظرفیت سوئیچینگ کاملا غیرمنتظره و در عین حال کاملاً خوشایند برای تئوری را امکان پذیر می کند. همچنین ما به دنبال طراحی و کنترل اشکال جدید توپولوژی از طریق همکاری همبستگی های قوی و تقارن گروه های فضایی هستیم."

این مطالعه توسط محققان دانشگاه واشنگتن، آزمایشگاه ملی لوس آلاموس، دانشگاه کیونگ هی کره جنوبی، دانشگاه پنسیلوانیا، دانشگاه ییل، دانشگاه کالیفرنیا دیویس، دانشگاه کرنل، دانشگاه کالیفرنیا برکلی، دانشگاه استنفورد انجام شده است. آزمایشگاه ملی شتاب دهنده مرکز شتاب دهنده خطی، آزمایشگاه ملی بروکهاون و آزمایشگاه ملی لارنس برکلی.

Han Wu et al, Reversible non-volatile electronic switching in a near-room-temperature van der Waals ferromagnet, Nature Communications (2024).