اپتیک و کوانتوم

تیمی به رهبری مینگدا لی، دانشیار دپارتمان علوم و مهندسی هسته‌ای MIT (NSE)، روشی جدید و فوق‌العاده دقیق برای تغییر ویژگی‌های مواد کوانتومی با استفاده از کلاس خاصی از این مواد، به عنوان مثال نیمه فلزات Weyl، نشان داده‌اند. تکنیک جدید به نیمه فلزات Weyl محدود نمی شود. ماناسی ماندال، پسادکتری NSE، یکی از دو نویسنده اصلی مقاله دسترسی باز، که اخیراً در Applied Physics Reviews منتشر شده است، می گوید: «ما می توانیم از این روش برای هر ماده فله غیر آلی و همچنین برای لایه های نازک استفاده کنیم. آزمایشی که در این مقاله توضیح داده شد بر روی نوع خاصی از نیمه فلز Weyl، یک کریستال فسفید تانتالیوم (TaP) متمرکز بود. مواد را می توان بر اساس خواص الکتریکی آنها طبقه بندی کرد: فلزات به راحتی جریان الکتریکی را هدایت می کنند، در حالی که عایق ها مانع از جریان آزاد الکترون ها می شوند. یک نیمه فلز جایی در این بین قرار دارد. می تواند الکتریسیته را هدایت کند، اما فقط در یک باند فرکانس باریک یا کانال. نیمه فلزات ویل بخشی از دسته وسیع تری از مواد به اصطلاح توپولوژیکی هستند که ویژگی های متمایز خاصی دارند. به عنوان مثال، آنها دارای ساختارهای الکترونیکی خاص هستند - پیچ خوردگی ها یا "تکینگی ها" به نام گره های ویل، که الگوهای چرخشی در اطراف یک نقطه واحد هستند (پیکربندی شده در جهت عقربه های ساعت یا خلاف جهت عقربه های ساعت) که شبیه حلقه های مو یا، به طور کلی، گرداب ها هستند. وجود گره های Weyl خواص الکتریکی غیرمعمول و همچنین مفیدی را به همراه دارد. و یک مزیت کلیدی مواد توپولوژیکی این است که کیفیت های مورد نظر آنها را می توان حفظ کرد، یا از نظر توپولوژیکی محافظت کرد، حتی زمانی که مواد مختل می شوند.

نویسندگان توضیح می دهند: « وقتی سعی می‌کنید این نوع مواد را بسازید، لازم نیست دقیق باشید. می‌توانید برخی از نقص‌ها، سطحی از عدم قطعیت را تحمل کنید و مواد همچنان مطابق انتظار رفتار خواهند کرد. "تنظیم­پذیری" که باید اتفاق بیفتد در درجه اول به سطح فرمی مربوط می شود، که بالاترین سطح انرژی است که توسط الکترون ها در یک سیستم فیزیکی یا ماده خاص اشغال می شود. ماندال و چوتراتاناپیتوک قیاس زیر را پیشنهاد می کنند: سدی را در نظر بگیرید که می تواند با سطوح مختلف آب پر شود. می توان آن سطح را با افزودن آب بالا برد یا با حذف آب آن را کاهش داد. به همین ترتیب، می توان سطح فرمی یک ماده معین را به سادگی با افزودن یا تفریق الکترون ها تنظیم کرد. برای تنظیم دقیق سطح فرمی نیمه فلز ویل، تیم لی کاری مشابه انجام داد، اما به جای اضافه کردن الکترون های واقعی، یون های هیدروژن منفی (هر کدام از یک پروتون و دو الکترون) را به نمونه اضافه کردند. فرآیند وارد کردن یک ذره خارجی یا نقص به کریستال TaP - در این مورد با جایگزینی یون هیدروژن به جای اتم تانتالیوم - دوپینگ نامیده می شود. و هنگامی که دوپینگ بهینه به دست آمد، سطح فرمی با سطح انرژی گره های Weyl منطبق خواهد شد. در آن زمان است که خواص کوانتومی مورد نظر ماده به طور کامل محقق می شود.

برای نیمه فلزات Weyl، سطح فرمی به ویژه به دوپینگ حساس است. مگر اینکه این سطح نزدیک به گره های Weyl تنظیم شود، خواص مواد می تواند به طور قابل توجهی از حالت ایده آل متفاوت باشد. دلیل این حساسیت شدید به هندسه عجیب گره Weyl مربوط می شود. اگر سطح فرمی را به عنوان سطح آب در یک مخزن در نظر بگیریم، مخزن در یک نیمه فلز ویل مانند یک استوانه نیست. شکل آن شبیه یک ساعت شنی است و گره Weyl در باریک ترین نقطه یا گردن ساعت شنی قرار دارد. اضافه کردن آب زیاد یا خیلی کم باعث از بین رفتن کامل گردن می شود، همانطور که اضافه کردن تعداد بسیار زیاد یا خیلی کم الکترون به نیمه فلز گره را به طور کلی از دست می دهد.

برای دستیابی به دقت لازم، محققان از شتاب‌دهنده یونی دو مرحله‌ای "Tandem" MIT - واقع در مرکز علم و فناوری با شتاب‌دهنده‌ها و تشعشعات (CSTAR) - استفاده کردند و نمونه TaP را با یون‌های پرانرژی که از این شتاب‌دهنده قدرتمند خارج می‌شد، استفاده کردند. پرتو شتاب دهنده (1.7 میلیون ولت). یون های هیدروژن برای این منظور انتخاب شدند زیرا آنها کوچکترین یون های منفی موجود هستند و بنابراین مواد را کمتر از یک ناخالصی بسیار بزرگتر تغییر می دهند. کوین وولر، محقق اصلی که آزمایشگاه CSTAR را هدایت می‌کند، می‌گوید: «استفاده از تکنیک‌های شتاب‌دهنده پیشرفته، دقت بیشتری نسبت به قبل ممکن می‌سازد، و سطح فرمی را روی دقت میلی‌الکترون ولت [هزارم الکترون ولت] تنظیم می‌کند». علاوه بر این، پرتوهای پرانرژی امکان دوپینگ کریستال‌های حجیم را فراتر از محدودیت‌های لایه‌های نازک با ضخامت چند ده نانومتر فراهم می‌کنند. به عبارت دیگر، این روش شامل بمباران نمونه با یون های هیدروژن است تا زمانی که تعداد کافی الکترون وارد شود تا سطح فرمی درست باشد.

More information: Manasi Mandal et al, Precise Fermi level engineering in a topological Weyl semimetal via fast ion implantation, Applied Physics Reviews (2024)