מעבר לתיאוריה: מצבי בידוד טופולוגיים כפולים שנמצאו בחומר חד-שכבתי

מדענים ממכללת בוסטון זיהו חומר המכונה מבודד הול ספין קוונטי כפול, המציע בסיס מבטיח לחקירת שלבים קוונטיים אקזוטיים ואלקטרומגנטיות.

צוות בינלאומי של מדענים בראשות הפיזיקאים של מכללת בוסטון דיווח על גילוי שלבים טופולוגיים כפולים בגביש חד-שכבתי מהותי, ממצא החושף תכונות חדשות וייחודיות של כיפוף כללים בחומר קוונטי. התגלית פורסמה לאחרונה בכתב העת טֶבַע.

הגילוי של מבודד טופולוגי כפול מציג שיטה חדשה ליצירת מיני-bands שטוחים טופולוגיים באמצעות אינטראקציות אלקטרונים, המציעות פלטפורמה מבטיחה לחקר שלבים קוונטיים אקזוטיים ואלקטרומגנטיות, דיווח הצוות.

"יצרנו בניסוי דגימות באיכות גבוהה ודקות אטומית של TaIrTe4 ופיתחנו מכשירים אלקטרוניים מתאימים", עוזר פרופסור לפיזיקה של מכללת בוסטון, Qiong Ma, המחבר הראשי של הדו"ח. "מה שמסקרן במיוחד הוא הגילוי שלנו של לא רק אחד, אלא שני מצבים מבודדים טופולוגיים, מעבר לתחזיות התיאוריה."

הממצאים מציגים אפקט חדשני שהצוות מכנה המבודד הטופולוגי הכפול או המבודד ספין הקוונטי הכפול, אמר מא.

מתודולוגיה וממצאים ייחודיים

שכבות דו-ממדיות דקות במיוחד של חומר גבישי בשם TaIrTe4, שנוצרו מטנטלום, אירידיום וטלוריום, היו המוקד של צוות המדענים מלפני הספירה, MITאוניברסיטת הרוורד, UCLAטקסס A&M, אוניברסיטת טנסי, האוניברסיטה הטכנולוגית נאניאנג בסינגפור, האקדמיה הסינית למדעים והמכון הלאומי של יפן למדעי החומרים.

עובי כל שכבה הוא פחות מננומטר אחד – כלומר דקה יותר מפי 100,000 מקווצת שיער אדם. שכבות אלה, או "פתיתים", נקלף בקפידה מגביש גדול יותר בשיטה פשוטה הכוללת סרט דבק שקוף, טכניקה עטורת פרס נובל בשימוש נרחב במדעי החומרים.

"החקירה שלנו נועדה להבין כיצד החומרים הללו מוליכים חשמל", אמר מא. "בהתחשב בגודלם הזעום של חומרים אלה, השתמשנו בטכניקות ננו-ייצור מתקדמות, כולל פוטוליתוגרפיה וליתוגרפיה של אלומת אלקטרונים, כדי ליצור מגעים חשמליים בגודל ננו".

מא אמרה שהמטרה העיקרית של הפרויקט הייתה לבדוק את התחזית התיאורטית המצביעה על כך ששכבת TaIrTe4 הדקה ביותר פועלת כמבודד טופולוגי דו מימדי – הידוע גם כמבודד הול ספין קוונטי – חומר חדש שבו החלק הפנימי שלו מבודד וחשמל זורם לאורך גבולותיו. ללא כל אובדן אנרגיה. השילוב הייחודי הזה הופך את החומרים הללו למוקד של חוקרים המנסים לפתח דורות עתידיים של מכשירים אלקטרוניים חסכוניים באנרגיה.

באמצעות מניפולציה של פרמטרים ספציפיים – המכונה מתחי שער – הצוות מצא את המעבר של TaIrTe4 בין שני המצבים הטופולוגיים הנבדלים, אמר מא. בשני המקרים, החומר מפגין מוליכות חשמלית אפס בתוך החלק הפנימי שלו, בעוד שגבולותיו נשארים מוליכים. באמצעות חקירה ניסויית ותיאורטית שיטתית, קבענו ששני המצבים הטופולוגיים הללו נובעים ממקורות שונים.

השלכות תיאורטיות וכיוונים עתידיים

הממצאים, שחרגו מהתחזיות התיאורטיות, הפתיעו את המדענים.

"בדרך כלל, הוספת אלקטרונים לחומר מגבירה את המוליכות שלו בגלל המספר הגדול יותר של נושאי מטען או חשמל", אמר מא. "בתחילה, המערכת שלנו התנהגה כמצופה והפכה ליותר מוליכה עם הוספת אלקטרונים. עם זאת, מעבר לנקודה מסוימת, הוספת אלקטרונים נוספים הפכה במפתיע את הבידוד הפנימי שוב, עם הולכה חשמלית רק בגבולות וללא איבוד אנרגיה, שזה בדיוק שוב שלב בידוד טופולוגי בדיוק כמו בנקודת ההתחלה שבה בפנים אין אלקטרונים. המעבר הזה לשלב בידוד טופולוגי שני הוא בלתי צפוי לחלוטין".

מא אמר שעבודה עתידית על הגילוי כוללת שיתופי פעולה עם קבוצות המיומנות בטכניקות מיוחדות אחרות, כמו בקנה מידה ננו בדיקות הדמיה, כדי להבין יותר את ההתנהגות הבלתי צפויה.

"אנו גם נתמקד בחידוד איכות החומר שלנו כדי לשפר את ההולכה הטופולוגית המרשימה ממילא חסרת הפיזור," אמר מא. "יתר על כן, אנו מתכננים לבנות מבנים הטרו המבוססים על החומר החדש הזה כדי לפתוח התנהגויות פיזיות מסקרנות עוד יותר."

המחקר מומן על ידי משרד חיל האוויר למחקר מדעי, משרד האנרגיה של ארה"ב, הקרן הלאומית למדע של ארה"ב, תוכנית המלומדים העולמית של CIFAR עזריאלי וקרן אלפרד פ. סלואן.

במכללת בוסטון, מא שיתף פעולה עם הפרופסורים לפיזיקה קנת' בורץ' וזיקיאנג וואנג; צוות בחדר הנקי של האוניברסיטה; הפוסט-דוקטורנטים של BC Jian Tang, Zumeng Huang וז'ה סאן; סטודנטים לתואר שני תומס סיואן דינג, מייקל גייביץ, מוחמד שהבלדין, וסבולוד בלוסביץ' ויפינג וואנג; וזיהאן וואנג, חוקר אורח לתואר ראשון.