חוקרים מאוניברסיטת מנצ'סטר היו חלוצים במוליך-על חד-ממדי חזק שיכול לקדם משמעותית את הטכנולוגיה הקוונטית על ידי התגברות על אתגרים ארוכי שנים בהשגת מוליכות-על בשדות מגנטיים גבוהים.
חוקרים מאוניברסיטת מנצ'סטר עשו התקדמות גדולה בתחום מוליכות-על על ידי שמירה מוצלחת על מוליכות-על חזקה תחת שדות מגנטיים גבוהים במערכת חד-ממדית (1D) חדשה. פריצת דרך זו מציעה מסלול מבטיח להשגת מוליכות-על במשטר הול הקוונטי, אתגר רב שנים בפיזיקת החומר המעובה.
מוליכות-על, היכולת של חומרים מסוימים להוליך חשמל בהתנגדות אפסית, טומנת בחובה פוטנציאל עמוק להתקדמות של טכנולוגיות קוונטיות. עם זאת, השגת מוליכות-על במשטר הול הקוונטי, המאופיין בהולכה חשמלית כמותית, הוכחה כאתגר אדיר.
פרטי מחקר וממצאים ראשוניים
המחקר, שפורסם ב טֶבַע, מפרט את העבודה הענפה של צוות מנצ'סטר בראשות פרופסור אנדרה גיים, ד"ר ז'וליאן ברייר וד"ר נה שין להשגת מוליכות-על במשטר הול הקוונטי. המאמצים הראשוניים שלהם עקבו אחר המסלול הקונבנציונלי שבו מדינות קצה מתפשטות הובאו בקרבה זו לזו. עם זאת, גישה זו התבררה כמוגבלת.
"הניסויים הראשוניים שלנו הונעו בעיקר על ידי העניין המתמשך החזק במוליכות-על מקרבת המושרה לאורך מצבי קצה קוונטיים של הול", מסביר ד"ר בארייר, המחבר הראשי של המאמר. "אפשרות זו הובילה למספר רב של תחזיות תיאורטיות בנוגע להופעת חלקיקים חדשים הידועים כאדם לא-אבלי."
לאחר מכן, הצוות חקר אסטרטגיה חדשה בהשראת עבודתם הקודמת והדגימה כי גבולות בין תחומים ב גרפן יכול להיות מוליך מאוד. על ידי הצבת קירות תחום כאלה בין שני מוליכים, הם השיגו את הקרבה האולטימטיבית הרצויה בין מצבי קצה מתפשטים תוך מזעור ההשפעות של אי-סדר.
"עודדנו אותנו לצפות בזרמי-על גדולים בטמפרטורות 'שקטות' יחסית של עד קלווין אחד בכל מכשיר שיצרנו", נזכר ד"ר ברייר.
גילוי של מוליכות-על 1D במצב יחיד
חקירה נוספת העלתה כי מוליכות-העל הקרבה לא מקורה במצבי הקצה הקוונטיים של הול המתפשטים לאורך קירות התחום, אלא ממצבים אלקטרוניים דו-ממדיים בלבד הקיימים בתוך קירות התחום עצמם. מצבים דו-ממדיים אלו, שהוכחו כקיימים על ידי קבוצת התיאוריה של פרופסור ולדימיר פאלקו במכון הגרפן הלאומי, הפגינו יכולת טובה יותר להכלאה עם מוליכות-על בהשוואה למצבי קצה קוונטיים של הול. ההערכה היא שהטבע החד-ממדי המובנה של המצבים הפנימיים אחראי לזרמי העל החזקים שנצפו בשדות מגנטיים גבוהים.
גילוי זה של מוליכות-על 1D במצב יחיד מראה דרכים מרגשות למחקר נוסף. "במכשירים שלנו, אלקטרונים מתפשטים בשני כיוונים מנוגדים בתוך אותו ננומטרי חלל וללא פיזור", מפרט ד"ר ברייר. "מערכות 1D כאלה נדירות במיוחד ובעלות הבטחה לטיפול במגוון רחב של בעיות בפיזיקה בסיסית."
הצוות כבר הוכיח את היכולת לתמרן את המצבים האלקטרוניים הללו באמצעות מתח שער ולצפות בגלי אלקטרונים עומדים אשר אפנו את תכונות המוליכות העל.
"זה מרתק לחשוב מה המערכת החדשה הזו יכולה להביא לנו בעתיד. מוליכות העל ה-1D מציגה נתיב חלופי למימוש קוואזי-חלקיקים טופולוגיים המשלבים את אפקט הול הקוונטי ומוליכות-על", מסכם ד"ר שין. זו רק דוגמה אחת לפוטנציאל העצום שמכיל הממצאים שלנו".
20 שנה לאחר הופעתו של גרפן החומר הדו-ממדי הראשון, מחקר זה של אוניברסיטת מנצ'סטר מייצג צעד נוסף קדימה בתחום מוליכות העל. הפיתוח של מוליך-על 1D חדשני זה צפוי לפתוח דלתות להתקדמות בטכנולוגיות קוונטיות ולסלול את הדרך לחקירה נוספת של פיזיקה חדשה, ולמשוך עניין מקהילות מדעיות שונות.
