К сожалению, большинство квантовых эффектов могут проявляться только при температурах близких к абсолютному нулю, что естественно затрудняет их практическое применение. Однако недавно экспертам из Принстона удалось продемонстрировать странное квантовое явление, возникающее в материалах при комнатных температурах.
Рис., иллюстрирующий работу топологического диэлектрика. Шафаят Хоссейн и М. Захид Хасан из Принстона
Топологический диэлектрик — это особое по своей структуре вещество, проводящее электроны не совсем обычным способом. Основная часть материала является изолятором, полностью препятствующим прохождению через него электронов. Однако его поверхностные слои отличаются повышенной электропроводностью, что позволяет электронам свободно протекать через него с высокой эффективностью. Благодаря таким уникальным свойствам, топологические материалы могут принимать интересные формы квантовых состояний, которые могут быть полезны для разработки будущих квантовых технологий.
Но здесь, есть один важный момент: большинство квантовых состояний чрезвычайно хрупки и разрушаются под воздействием помех. Основными источниками таких помех является тепло, или тепловой шум. Когда вещество нагревается, в нём происходит более интенсивная молекулярная вибрация. Это разрушает квантовые состояния. В связи с этим практически все опыты, использующие квантовые эффекты, приходится проводить при сверхнизких температурах близких к абсолютному нулю. (При температуре -273,15 °С или ноль по шкале Кельвина движение молекул полностью прекращается). Однако такой подход делает эти технологии нецелесообразными для широкого применения.
В рамках нового эксперимента принстонские специалисты сумели справиться с этой проблемой, наблюдая квантовые эффекты в топологических материалах при температурах от 15 до 25 °C. В качестве материала было выбрано неорганическое вещество, известное как бромид висмута Bi4B4.
Оказалось, что эта кристаллическая соль имеет оптимальную полосу пропускания - изолирующий "барьер", внутри которого электроны не могут обладать определенными энергетическими уровнями. Ширина такой полосы должна быть достаточной для защиты от теплового шума, но не настолько большой, чтобы нарушить эффект спин-орбитальной связи электронов, который жизненно важен для поддержания их стабильности. Бромид висмута, как выяснилось, характеризуется зазором около 200 миллиэлектронвольт, что наилучшим образом подходит для поддержания стабильных квантовых состояний при комнатных температурах.
Авторы подтвердили свою теорию. Специалисты наблюдали так называемые краевые состояния в целочисленном квантовом эффекте Холла - свойство, уникальное для этих топологических объектов. Исследователи говорят, что этот прорыв будет полезен для развития квантовых технологий, таких как спиновая электроника - новый раздел квантовой электроники, в котором данные кодируются в спинах электронов с более высокими КПД, чем в существующей электронике.
"Это просто удивительно, что нам удалось обнаружить такие материалы без сверхвысокого давления или мощных магнитных полей. Результаты этого эксперимента открывают широкие возможности для разработки квантовых технологий следующего поколения", — считает Нана Шумия, соавтор работы. "Мне кажется, что это открытие позволит значительно расширить квантовые границы".
Результаты этого проекта были зарегистрированы в международном издании Nature Materials.
Sources: Princeton University, Journal Nature Materials, Journal Newatlas
1. (https://www.nature.com/articles/s41563-022-01304-3)
2. (https://phy.princeton.edu/news/scientists-discover-exotic-quantum-state-room-temperature)
3. (https://newatlas.com/electronics/topological-insulator-quantum-state-room-temperature/)
