Kuantum malzemelerinin ince ayarına yeni bir yaklaşım MİT Haberleri

Kuantum malzemeleri (korelasyon ve dolaşma gibi kuantum mekaniği prensipleri tarafından yönetilen elektronik özelliklere sahip olanlar) belirli koşullar altında, süperiletkenlik olarak bilinen, direnç olmadan elektriği iletme yeteneği gibi garip davranışlar sergileyebilir. Ancak bu malzemelerden en iyi performansı alabilmek için, tıpkı yarış arabalarında ayar yapılması gerektiği gibi, bunların da doğru şekilde ayarlanması gerekir. MIT Nükleer Bilim ve Mühendislik Bölümünde yardımcı doçent olan Mingda Li liderliğindeki bir ekip, Weyl metalleri gibi belirli bir malzeme sınıfını kullanarak kuantum malzemelerinin özelliklerini değiştirmenin yeni, son derece hassas bir yolunu gösterdi. bir örnek.

Yeni teknoloji Weyl metalleriyle sınırlı değil. NSE’de doktora sonrası araştırmacı ve açık kaynaklı makalenin baş yazarlarından biri olan Manasi Mandal, “Bu yöntemi herhangi bir inorganik malzeme ve ince filmler için kullanabiliriz” diyor. Yakın zamanda yayınlandı Uygulamalı Fizik İncelemeleri – Grubun sonuçlarını kim bildirdi?

Makalede açıklanan deney, bir tantal fosfit (TaP) kristali olan Weyl metalinin belirli bir türüne odaklandı. Malzemeler elektriksel özelliklerine göre sınıflandırılabilir: metaller elektriği kolaylıkla iletir, yalıtkanlar ise elektronların serbest akışını engeller. Metaloidler iki türün arasında bir yere düşer. Elektriği iletebilirler, ancak yalnızca dar bir frekans bandında veya kanalda. Weyl metalleri, belirli ayırt edici özelliklere sahip olan daha geniş bir topolojik malzeme sınıfının parçasını oluşturur. Örneğin, Weyl düğümleri adı verilen garip elektronik yapılara sahiptirler; bunlar, saç girdaplarına veya daha genel olarak girdaplara benzeyen tek bir nokta etrafındaki (saat yönünde veya saat yönünün tersine yönde oluşturulmuş) girdap desenleridir. Weyl sözleşmesinin varlığı olağandışı ve kullanışlı elektriksel özellikler kazandırır. Topolojik malzemelerin en büyük avantajı, malzeme bozulsa bile istenen özelliklerinin muhafaza edilebilmesi veya “topolojik olarak korunabilmesidir”.

MIT Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri Bölümü’nde doktora öğrencisi ve makalenin diğer baş yazarı Abijatmidhi Chutrathanapituk, “Bu büyük bir avantaj” diyor ve şöyle devam ediyor: “Bu tür bir malzeme yapmaya çalıştığınızda, elinizde hiçbir şey yok. Daha kesin olmak gerekirse, bazı kusurları, bazı kusur düzeylerini tolere edebilirsiniz.” Kesin olarak, malzeme yine de beklendiği gibi davranacaktır.”

Barajdaki su gibi

Gerekli olan “ayar” öncelikle belirli bir fiziksel sistem veya malzemede elektronların kapladığı en yüksek enerji seviyesi olan Fermi seviyesiyle ilgilidir. Mandal ve Chutratanapituk şu benzetmeyi öne sürüyor: Farklı seviyelerde suyla doldurulabilen bir baraj olduğunu varsayalım. Bu seviyeyi su ekleyerek yükseltebilir veya suyu çıkararak düşürebiliriz. Aynı şekilde, belirli bir maddenin Fermi düzeyini basitçe elektron ekleyerek veya çıkararak ayarlayabiliriz.

Weyl yarı metalinin Fermi seviyesini ayarlamak için Lee’nin ekibi benzer bir şey yaptı ancak gerçek elektronları eklemek yerine numuneye negatif hidrojen iyonları (her biri bir proton ve iki elektrondan oluşan) eklediler. Bir TaP kristaline yabancı bir parçacığın veya kusurun dahil edilmesi işlemine (bu durumda bir hidrojen iyonunun bir tantal atomuyla değiştirilmesiyle) doping adı verilir. Optimum katkılama elde edildiğinde Fermi seviyesi Weyl düğümü enerji seviyesiyle çakışacaktır. O zaman maddenin istenilen kuantum özellikleri tam olarak elde edilecektir.

Weyl metalleri için Fermi seviyesi katkılamaya karşı özellikle hassastır. Bu seviye Weyl düğümüne yakın ayarlanmazsa malzemenin özellikleri idealden önemli ölçüde farklılaşabilir. Bu aşırı duyarlılığın nedeni Weyl kompleksinin tuhaf geometrisidir. Fermi seviyesini bir tanktaki su seviyesi olarak düşünürsek Weyl yarı metalindeki tank silindir şeklinde değildir; Daha ziyade bir kum saati şeklindedir ve Will’in düğümü o kum saatinin en dar noktasında veya boynunda bulunur. Yarı metale çok fazla veya çok az elektron eklenmesi düğümü tamamen kaçıracağı gibi, çok fazla veya çok az su eklemek boynu tamamen gözden kaçıracaktır.

Hidrojeni tutuşturun

Gerekli hassasiyeti elde etmek için araştırmacılar, Hızlandırıcılar ve Radyasyon Kullanarak Bilim ve Teknoloji Merkezi’nde (CSTAR) bulunan MIT’nin iki aşamalı Tandem iyon hızlandırıcısını kullandılar ve TaP örneğini hızlandırıcının güçlü ışınından çıkan yüksek enerjili iyonlarla vurdular ( 1,7 milyon volt). Hidrojen iyonları bu amaç için seçilmiştir çünkü bunlar mevcut en küçük negatif iyonlardır ve bu nedenle malzemeyi çok daha büyük bir aktivatöre göre daha az değiştirirler. “Gelişmiş hızlandırıcı teknolojilerinin kullanımı, Fermi seviyesi milielektronvolta ayarlandığından, daha önce mümkün olandan daha fazla hassasiyet sağlıyor [thousandths of an electron volt] CSTAR laboratuvarını yöneten baş bilimsel araştırmacı Kevin Waller, “Bu ışınların çözünürlüğü çok yüksek” diyor ve ekliyor: “Ayrıca, yüksek enerjili ışınlar, yalnızca bir parçacık olan ince filmlerin sınırlarının ötesinde yığın kristallerin etkinleştirilmesine olanak tanıyor. birkaç on nanometre kalınlığında.”

Başka bir deyişle, bu süreç, Fermi seviyesini tam olarak doğru hale getirmek için yeterli elektron alınana kadar numunenin hidrojen iyonlarıyla bombardıman edilmesini içerir. Soru şu: Metronomu ne kadar süre çalışır durumda tutmalısınız ve ne zaman yeterli olduğunu nasıl anlarsınız? Burada önemli olan malzemeyi Fermi seviyesi ne çok düşük ne de çok yüksek olacak şekilde ayarlamak istemenizdir.

Chotratanapitak, “Cihaz ne kadar uzun süre çalışırsa Fermi seviyesi o kadar yüksek olur” diyor ve “Zorluk şu ki, örnek hızlandırıcı odasındayken Fermi seviyesini ölçemiyoruz.” Bununla başa çıkmanın genel yolu, numuneyi belirli bir süre radyasyona maruz bırakmak, ardından çıkarıp ölçmek ve Fermi seviyesi yeterince yüksek değilse tekrar yerleştirmektir. Mandal, “Bu neredeyse imkansız olabilir” diye ekliyor.

Protokolü basitleştirmek için ekip, öncelikle Fermi seviyesini tercih edilen seviyeye çıkarmak için gereken elektron sayısını tahmin eden ve bunu numuneye eklenmesi gereken negatif hidrojen iyonlarının sayısına çeviren teorik bir model oluşturdu. Model daha sonra onlara numunenin hızlandırıcı odasında ne kadar kalacağını söyleyebilir.

Chotratanapitak’a göre iyi haber şu ki, basit modelleri, daha fazla bilgi işlem gücü gerektiren ve bir süper bilgisayara erişim gerektirebilen daha güvenilir geleneksel modellerle yaklaşık %2 oranında aynı fikirde. Grubun ana katkılarının iki yönlü olduğuna dikkat çekiyor: Kesin aktivasyon için hızlandırıcılara dayanan yeni bir teknolojinin tanıtılması ve deneye rehberlik edebilecek teorik bir modelin sağlanması, araştırmacılara numunenin enerjisine bağlı olarak numuneye ne kadar hidrojen eklenmesi gerektiğinin söylenmesi. iyon ışını, maruz kalma süresi ve numunenin boyutu ve kalınlığı.

İnce ayar ile harika şeyler gelecek

Mandal, bunun büyük bir pratik ilerlemenin yolunu açabileceğine dikkat çekiyor çünkü onların yaklaşımı, bir numunenin Fermi seviyesini dakikalar içinde istenilen değere getirebiliyor; bu, geleneksel yöntemler kullanıldığında bazen haftalar süren, gerekli seviyeye ulaşılamayan bir görev. milielektron hassasiyeti derecesi.

Li, Fermi seviyesine ince ayar yapmanın doğru ve kullanışlı bir yolunun geniş çapta uygulanabilirliğe sahip olabileceğine inanıyor. “Kuantum malzemeleri söz konusu olduğunda, Fermi seviyesi pratikte her şeydir” diyor ve ekliyor: “Elde etmeye çalıştığımız etkilerin ve davranışların çoğu, yalnızca Fermi seviyesi doğru konumda olduğunda ortaya çıkıyor.” Örneğin, iyi ayarlanmış bir Fermi seviyesi kullanılarak malzemelerin süperiletken hale geldiği kritik sıcaklık yükseltilebilir. Aynı şekilde sıcaklık farklarını elektriksel voltaja dönüştüren termoelektrik malzemeler de Fermi seviyesi doğru ayarlandığında daha verimli hale gelir. İnce ayar kuantum hesaplamada da yararlı bir rol oynayabilir.

Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’nda kıdemli bir bilim adamı olan Thomas Zack Ward, olumlu bir değerlendirme yaptı: “Bu çalışma, ortaya çıkan malzemelerin kritik ancak hala tam olarak anlaşılamayan davranışlarının deneysel olarak araştırılması için yeni bir yol sağlıyor. Fermi seviyesini tam olarak kontrol etme yeteneği. “Topoloji, yeni kuantum bilgilerinin elde edilmesine ve mikroelektronik cihazların tasarlanmasına yardımcı olabilecek önemli bir atılımı temsil ediyor.”