اپتیک و کوانتوم

این یافته همچنین می‌تواند بر توسعه الکترونیک مبتنی بر اسپین تأثیر بگذارد، که ممکن است به طور بالقوه جایگزین برخی از سیستم‌های الکترونیکی فعلی برای بهره‌وری انرژی بالاتر شود و ممکن است پلتفرم‌های جدیدی برای کشف علم اطلاعات کوانتومی فراهم کند. این تحقیق که در مجله Nature Physics منتشر شده است، نقطه اوج بیش از 15 سال کار در پرینستون است. زمانی که دانشمندان پرینستون یک دستگاه کوانتومی به نام عایق توپولوژیک بیسموت برومید (α-Bi4Br4) ساختند که تنها چند نانومتر ضخامت داشت و از آن برای بررسی همدوسی کوانتومی استفاده کردند. دانشمندان برای بیش از یک دهه از عایق‌های توپولوژیکی برای نشان دادن اثرات کوانتومی جدید استفاده کرده‌اند. تیم پرینستون عایق مبتنی بر بیسموت خود را در آزمایش قبلی توسعه دادند که در آن کارایی آن را در دمای اتاق نشان دادند. اما با این آزمایش جدید، اولین بار است که این اثرات با همدسی کوانتومی بسیار دوربرد و در دمای نسبتاً بالا مشاهده شده است. القا و مشاهده حالات کوانتومی همدوس معمولاً فقط در حضور میدان‌های مغناطیسی قوی نیاز به دماهای نزدیک به صفر مطلق در مواد نیمه‌رسانای مصنوعی دارد. زاهد حسن گفت: "آزمایش‌های ما شواهد قانع‌کننده‌ای برای وجود همدسی کوانتومی دوربرد در حالت‌های لولای توپولوژیکی فراهم می‌کند، بنابراین راه‌های جدیدی را به سمت توسعه مدارهای توپولوژیکی و همچنین استفاده از این روش توپولوژیکی برای کاوش و پیشرفت فیزیک بنیادی باز می‌کند."

پروفسور یوجین هیگینز، استاد فیزیک دانشگاه پرینستون، که رهبری این تحقیق را بر عهده داشت. برخلاف دستگاه‌های الکترونیکی مرسوم، مدارهای توپولوژیکی در برابر عیوب و ناخالصی‌ها مقاوم هستند و به همین دلیل کمتر مستعد اتلاف انرژی هستند. حالات توپولوژیکی ماده و همدسی در سال‌های اخیر و مطالعه وضعیت‌های توپولوژیکی ماده، توجه بسیاری از فیزیکدانان و مهندسان را به خود جلب کرده است و در حال حاضر کانون توجه تحقیقات بین المللی زیادی است.

این حوزه مطالعاتی، فیزیک کوانتومی را با توپولوژی ترکیب می‌کند - شاخه‌ای از ریاضیات نظری که ویژگی‌های هندسی را که می‌توانند تغییر شکل دهند، اما تغییر ذاتی ندارند، بررسی می‌کند. دستگاه اصلی مورد استفاده برای بررسی اسرار توپولوژی کوانتومی عایق توپولوژیکی نام دارد. این یک دستگاه منحصر به فرد است که به عنوان یک عایق در داخل آن عمل می کند، به این معنی که الکترون های داخل آن آزادانه حرکت نمی کنند و بنابراین جریان الکتریکی را هدایت نمی کنند. با این حال، الکترون‌های روی لبه‌های دستگاه آزادانه حرکت می‌کنند، یعنی رسانا هستند. علاوه بر این، به دلیل ویژگی‌های خاص توپولوژی، الکترون‌هایی که در امتداد لبه‌ها جریان دارند، با هیچ نقص یا تغییر شکلی مواجه نمی‌شوند. نوع خاصی از توپولوژی نیز در برخی مواد مبتنی بر بیسموت امکان پذیر است که برخی از لبه ها را می توان شکاف داد و فقط برخی از لولاها رسانا باقی می مانند. دستگاهی که از چنین مواد توپولوژیکی ساخته شده است، نه تنها می‌تواند فناوری را بهبود بخشد، بلکه می‌تواند با بررسی ویژگی‌های کوانتومی به روش‌های جدید و نوآورانه، درک بیشتری از خود ماده ایجاد کند.

Md Shafayat Hossain et al, Quantum transport response of topological hinge modes, Nature Physics 2024