در حالی که الکترونیک معمولی بر انتقال الکترون متکی است، اجزایی که اطلاعات چرخش را به تنهایی منتقل می کنند، می توانند چندین برابر انرژی کارآمدتر باشند. فیزیکدانان دانشگاه فنی مونیخ (TUM) و موسسه تحقیقات حالت جامد ماکس پلانک در اشتوتگارت پیشرفت قابل توجهی در توسعه مواد جدید برای چنین اجزایی داشته اند. این مواد همچنین ممکن است کلید کامپیوترهای کوانتومی باشند که کمتر مستعد تداخل هستند.
امیدها زمانی افزایش یافت که اولین نمایندگان طبقه جدیدی از مواد - عایق های توپولوژیکی - حدود 15 سال پیش کشف شدند. محققان پیش‌بینی می‌کنند که ساختار الکترونیکی منحصربه‌فرد این مواد منجر به خواص ویژه‌ای روی سطح آنها می‌شود، مانند انتقال انرژی کارآمد اطلاعات، که می‌تواند توسعه قطعات الکترونیکی جدید را در طیف گسترده‌ای از کاربردها تسهیل کند.
اما تا به امروز، این قابلیت ها را نمی توان به راحتی در برنامه ها اصلاح و کنترل کرد. با وجود بیشترین تلاش ها، عملیات فناوری برای مدت طولانی در پیش است. این را می توان به لطف کشفی که توسط تیمی به رهبری کریستین فلیدر، استاد توپولوژی سیستم های همبسته در دانشگاه فنی مونیخ انجام شد، تغییر داد.
جستجوی تقاطع ها
در اتم ها، الکترون ها اوربیتال های اتمی مختلفی را تا حداکثر انرژی اشغال می کنند. هر اوربیتال مربوط به یک سطح انرژی ثابت است. در جامدات، اوربیتال های اتمی همپوشانی دارند و سطوح انرژی به جهت حرکت و طول موج الکترون ها بستگی دارد. سطوح انرژی برای جهات مختلف حرکت و طول موج ها در محدوده مشخصی به نام باند انرژی متفاوت است.
در حالی که سطوح انرژی اوربیتال‌ها در اتم به ترتیب خاصی افزایش می‌یابد، در جامدات، ترتیب سطوح انرژی ناشی از اوربیتال‌های اتمی مختلف نیز بسته به جهت حرکت و طول موج الکترون‌ها می‌تواند معکوس شود.
به این ترتیب، جهت گیری سطوح انرژی که در ابتدا با اوربیتال های مختلف مرتبط است، می تواند برای جهات خاصی از حرکت و طول موج ها قطع شود. به عبارت دیگر، انرژی اوربیتال های مختلف در جایی که همدیگر را قطع می کنند، یکسان هستند. موادی که در آنها این تقاطع ها در سطح الکترون هایی که مسئول رسانایی هستند، مورد توجه خاص قرار می گیرند. فیزیکدانان این سطح را انرژی فرمی می نامند.
کشف مواد توپولوژیکی
تقاطع بین نوارهای انرژی مواد واقعی از دهه 1930 شناخته شده است. با این حال، به جز در موارد بسیار نادر، آنها با دفع متقابل الکترون ها لغو می شوند. این اثر منجر به ایجاد شکاف در باندهای انرژی دقیقاً در تقاطع های مورد انتظار می شود. از آنجایی که تمام نمونه های شناخته شده از تقاطع ها در ساختار نواری به دور از انرژی فرمی رخ می دهند، آنها به سادگی به عنوان کنجکاوی بی اهمیت در نظر گرفته می شوند.
همه اینها با کشف عایق های توپولوژیکی تغییر کرد که در آنها ساختار الکترونیکی سطح ماده تقاطع هایی را دقیقاً در انرژی فرمی ایجاد می کند. مشاهدات اضافی نشان داد که این تقاطع ها به خصوص به دلیل ماهیت منحصر به فرد تابع موج مکانیکی کوانتومی الکترون ها، که از ابطال با دفع الکترون ها جلوگیری می کند، پایدار هستند.
انتقال اطلاعات بدون اتلاف انرژی
این واقعیت که تقاطع سطوح عایق توپولوژیکی همیشه در سطح فرمی است منجر به خواص خاصی از هدایت الکتریکی می شود که امکان انتقال بارهای الکتریکی و اطلاعات چرخش را بدون اتلاف انرژی فراهم می کند. با این حال، به زودی مشخص شد که عایق های توپولوژیکی نسبت به ناخالصی های مواد بسیار حساس هستند، که به طور موثر خواص سطح را اتصال کوتاه می کند و از اجرای فن آوری مفید جلوگیری می کند.
با این حال، کشف عایق های توپولوژیکی یک جستجوی فشرده و سیستماتیک را برانگیخت که در نهایت مواد حجیم زیادی را با تقاطعات توپولوژیکی بین نوارهای انرژی درون مواد نشان داد. به عنوان مثال می توان به فلزات Weyl، فلزات دیراک و عایق های Chern و بسیاری دیگر اشاره کرد. دانشمندان انتظار دارند که تقاطع های داخل این مواد منجر به خواص سطحی خاصی شود که مستعد بهره برداری های تکنولوژیکی هستند.
متأسفانه، محققان نتوانسته‌اند پیش‌بینی کنند که آیا تقاطع‌های توپولوژیکی در هر یک از مواد شناخته شده دقیقاً در سطح فرمی است یا خیر. این به این دلیل است که تقاطع هایی که تاکنون شناخته شده اند فقط در نقاط مجزا یا در امتداد خطوط مشخص رخ داده اند، به این معنی که آنها به طور تصادفی با سطح فرمی منطبق می شوند.
اما نکته آخر برای عملیات فنی بسیار مهم است. علاوه بر این، امکان روشن و خاموش کردن تقاطع ها با وسایل ساده در برنامه ها کاملاً غیرقابل دسترس به نظر می رسید.
توسط یک میدان مغناطیسی سوئیچ می شود
دانشمندان به رهبری دکتر مارک وایلد در تیم پروفسور Pfleider قبلاً نشان داده اند که موادی با صفحات وجود دارد که نوارها همیشه به صورت جفت از آنها عبور می کنند. آنها به عنوان صفحات گره ای شناخته می شوند و مکان یابی تقاطع ها در سطح فرمی را آسان می کنند. آنها همیشه دقیقاً جایی هستند که لبه های رسانایی از چنین صفحه ای عبور می کنند. یکی از اولین نمونه ها تک بلورهای منگنز-سیلیکون است.
به همراه دکتر آندریاس اشنایدر از موسسه تحقیقات حالت جامد ماکس پلانک در اشتوتگارت، تیم تحقیقاتی با موفقیت مبانی نظری این رفتار را روشن کردند.
"یک پیش نیاز ضروری وجود "تقارن" نامتقارن است. آندریاس اشنایدر می‌گوید در سیلیکون منگنز، این یک معکوس در آرایش اتم‌ها است. مارک وایلد برای بریدن نوار موبیوس می گوید: "اما این همه چیز نیست."
بر اساس این بینش، آندریاس اشنایدر و همکارانش در اشتوتگارت تجزیه و تحلیل جامعی از تمام طبقات شناخته شده ساختارهای کریستالی انجام دادند تا آنهایی را که دارای خواص یکسانی هستند شناسایی کنند. اکنون این مبنایی برای جستجوهای هدفمند آینده برای مواد مشابه است.
خواص غیر معمول، مزایای قابل توجه
کریستین فایدرر می‌گوید: «با استفاده از منگنز سیلیکون به‌عنوان مثال همراه با اصول نظری اخیراً توسعه‌یافته، اکنون می‌توانیم مواد را در تلاشی هماهنگ انتخاب و بهینه کنیم». این مواد جدید نه تنها می‌توانند به دستگاه‌های الکترونیکی با انرژی بسیار کارآمدتر، بلکه همچنین کاربردهای کاملاً جدیدی را که در آنها از میدان‌های مغناطیسی خارجی برای کنترل اثرات مغناطیسی در هواپیماهای کلیدی استفاده می‌کنیم، اجازه دهند.
Pfleiderer امیدوار است: "به این ترتیب، این مواد حتی ممکن است محاسبات کوانتومی توپولوژیکی را در آینده تسهیل کنند. به دلیل ویژگی های نقاط تقاطع، QBit مربوطه نسبت به تداخل بسیار کمتر حساس خواهد بود." کامپیوترهای کوانتومی ساخته شده بر این اساس حتی می توانند نیاز به کار در دمای نزدیک به صفر مطلق را از بین ببرند.
این مطالعه در منتشر شد طبیعت.
نقل قول: New Materials for Quantum Technology (2021، 22 دسامبر)، بازیابی شده در 23 دسامبر 2021 از https://phys.org/news/2021-12-materials-quantum-technologies.html
این برگه یا سند یا نوشته تحت پوشش قانون کپی رایت است. به جز هرگونه معامله منصفانه به منظور تحقیق یا مطالعه خصوصی، هیچ بخشی بدون اجازه کتبی قابل تکثیر نیست. محتوا فقط برای مقاصد اطلاعاتی ارائه شده است.
[ad_2]
مقالات مشابه
- آب چشمه کوه آنقدرها هم که فکر می کنید تمیز نیست
- پیوند: گزارش عملکرد وزارت خزانه داری اسلاید دوباره به عنوان سهام بدهد تا سود جلوتر از بانک فدرال در سیاست جلسه
- Encore: یکی از این تغییر می تواند تضعیف امنیت بازنشستگی میلیون ها نفر از آمریکایی ها
- یانکی' زاک Britton با اعتماد به نفس در MLB سلامت پروتکل
- همه گیر مادران ارائه می دهد چیزی است که آنها هرگز دوباره
- شرکت صادرات و واردات کالاهای مختلف از جمله کاشی و سرامیک و ارائه دهنده خدمات ترانزیت و بارگیری دریایی و ریلی و ترخیص کالا برای کشورهای مختلف از جمله روسیه و کشورهای حوزه cis و سایر نقاط جهان - بازرگانی علی قانعی
- 'پدر و مادر هستند و طبعا ترس': پسر بازیابی از نادر سندرم MIS-C مربوط به COVID-19
- بالا راننده نسکار Jimmie Johnson تست مثبت برای coronavirus
- 2020 MLB پیش بینی: جو Maddon را فرشتگان حذفی مدعی
- شرکت صادرات و واردات کالاهای مختلف از جمله کاشی و سرامیک و ارائه دهنده خدمات ترانزیت و بارگیری دریایی و ریلی و ترخیص کالا برای کشورهای مختلف از جمله روسیه و کشورهای حوزه cis و سایر نقاط جهان - بازرگانی علی قانعی