توپولوژی شکننده: دو مطالعه جدید، جریان الکترونی عجیبی را در مواد آینده شرح می‌دهند

توپولوژی شکننده: دو مطالعه جدید، جریان الکترونی عجیبی را در مواد آینده شرح می‌دهند

الکترون‌ها روی سطوح برخی از مواد بلوری غیرمعمولی سر می‌خورند، البته گاهی هم این اتفاق نمی‌افتد. دو مطالعه جدید از محققان پرینستون و همکاران آن‌ها، دلیل این رفتار شگفت‌انگیز را توضیح داده و بازیابی رسانایی در این بلورهای مهم را نشان می‌دهند که به دلیل استفاده احتمالی آن‌ها در فناوری‌های آینده از جمله کامپیوترهای کوانتومی بسیار مهم هستند.

طی 15 سال گذشته نشان داده شده است که دسته‌ای از مواد که به عنوان عایق‌های توپولوژیکی شناخته می‌شوند، در راس جستجوی مواد آینده قرار داشته‌اند. این بلورها یک ویژگی غیر معمول دارند: فضای داخلی آن‌ها عایق است، جایی که الکترون‌ها نمی‌توانند جریان یابند، اما سطح آن‌ها رسانای کاملی است، جایی که الکترون‌ها بدون هیچ مقاومتی جریان می‌یابند. این تصویری بود كه تا دو سال پیش وجود داشت، قبل از كشف برخی از مواد توپولوژیك که در واقع قادر به هدایت جریان در سطح خود نبودند؛ پدیده‌ای كه نام «توپولوژی شکننده» را به خود اختصاص داد.

به گفته‌ی محققان این پژوهش جدید، توپولوژی شکننده، موجودی عجیب و غریب است که اکنون پیش بینی می‌شود در صدها ماده وجود داشته باشد. گویا این قاعده‌ی معمولی که ما به تعیین تجربی یک حالت توپولوژیکی تکیه کرده‌ایم، درهم می‌شکند».

محققان برای کنترل چگونگی شکل‌گیری حالت‌های شکننده به دو منبع روی آوردند: معادلات ریاضی و پرینترهای 3 بعدی. آن‌ها یک نظریه ریاضی را برای توضیح آنچه درون مواد اتفاق می‌افتد، ایجاد کردند. سپس محققان دیگری، این نظریه را با ساخت مواد توپولوژیکی به اندازه طبیعی از مواد پلاستیک‌های چاپ ‌شده به صورت سه بعدی آزمایش کردند.

مواد توپولوژیکی نام خود را از حوزه ریاضیات گرفته‌اند و توضیح می‌دهند چگونه اشکالی مانند دونات و فنجان قهوه با یکدیگر ارتباط دارند (هر دوی آن‌ها یک سوراخ دارند). همین اصل می‌تواند توضیح دهد که چگونه الکترون‌ها از اتمی به اتم دیگر روی سطح تقریبا ۲۰ هزار (یا بیشتر) ماده توپولوژیکی که تا به امروز شناسایی شده‌اند، می‌پرند. پایه‌های نظری مواد توپولوژیک، جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۶ را برای دانکن هلدان (F. Duncan Haldane) استاد فیزیک دانشگاه پرینستون به ارمغان آورد.

آنچه این بلورها را برای دانشمندان بسیار جالب می‌کند، خواص الکترونی متناقض آن‌هاست. فضای داخلی بلور توانایی هدایت جریان را ندارد و یک عایق است. اما اگر بلور را دو نیم کنیم، آنگاه الکترون‌ها بدون هیچ مقاومتی در طول سطوح تازه آشکار شده‌ که توسط طبیعت توپولوژیکی آن‌ها محافظت می‌شود، سُر خواهند خورد.

توجیه این مسئله در ارتباط بین الکترون‌های موجود در سطح و الکترون‌های داخلی یا توده نهفته است. الکترون‌ها را می‌توان نه به عنوان ذرات منفرد، بلکه به عنوان امواجی تصور کرد، مانند امواج آبی که از سنگریزه‌ها در حوضچه‌ای پخش می‌شوند. در این دید کوانتومی، محل هر الکترون توسط موجی گسترده توصیف می‌شود که به آن تابع موج کوانتومی گفته می‌شود. در یک ماده توپولوژیکی تابع موج کوانتومی یک الکترون در توده، به لبه‌ی بلور یا مرز سطحی آن گسترش می‌یابد. این تناظر بین توده و مرز منجر به یک حالت سطح کاملاً رسانا می‌شود.

تا دو سال پیش، این اصل «تناظر توده-مرز» برای تبیین رسانش سطح توپولوژیکی هنگامی که تعداد انگشت‌شماری از مقالات علمی وجود توپولوژی شکننده را آشکار کردند، به طور گسترده‌ای مورد قبول بود. برخلاف حالت‌های معمول توپولوژیکی، حالت‌های توپولوژیکی شکننده، حالت‌های رسانش سطحی ندارند. محققان می‌گویند: «اصل تناظر توده- مرز معمول درهم می‌شکند» اما اینکه دقیقا چگونه این اتفاق رخ می‌دهد، هنوز یک معماست.

محققان توجیهی نظری برای یک تناظر جدید توده-مرز برای توضیح توپولوژی شکننده ارائه می‌دهند و همكارانشان نشان می‌دهند كه تابع موج الكترونی توپولوژي شكننده تنها در شرايط خاصی به سطح گسترش می‌يابد که محققان آن را یک تناظر توده-مرز پیچ‌خورده می‌نامند.

محققان همچنین دریافتند که تناظر توده-مرز پیچ‌خورده می‌تواند به گونه‌ای تنظیم شود تا حالت‌های رسانای سطحی مجدداً ظاهر شوند. آن‌ها می‌گویند: «بر اساس اشکال تابع موج، ما مجموعه‌ای از مکانیسم‌ها را برای وارد کردن تداخل در مرز به گونه‌ای طراحی کردیم که حالت مرزی، لزوما کاملا رسانا شود».

یافتن قواعد فراگیر جدید، چیزی است که همواره فیزیکدانان را مجذوب خود می‌کند‌، اما به گفته محققان این نوع تناظر توده-مرز جدید ممکن است ارزش عملی نیز داشته باشد. آن‌ها می‌گویند: «تناظر توده-مرز پیچ‌خورده در توپولوژی شکننده، روشی بالقوه برای کنترل حالت سطح فراهم می‌کند که ممکن است در کاربردهای مکانیکی، الکترونیکی و اپتیکی مفید باشد».

اما اثبات اینکه این نظریه کار می‌کند، تقریباً غیرممکن خواهد بود، زیرا تداخل با مرزها در مقیاس‌های بی‌نهایت کوچک اتمی، الزامی است، بنابراین محققان برای ساختن الگویی به اندازه طبیعی، از همکاران خود کمک خواستند تا بتوانند ایده‌های خود را کشف کنند.

آن‌ها با استفاده از قطعات چاپی سه بعدی، یک ماکت بلور توپولوژیكی بزرگ‌مقیاس را از پلاستیک ساختند و از امواج صوتی برای نشان دادن توابع موج الکترون استفاده کردند. آن‌ها موانعی را برای مسدود کردن مسیر امواج صوتی قرار داد‌ند که مشابه بُرش بلور برای آشکار کردن سطوح رساناست. بدین ترتیب محققان حالت مرزی پیچ‌خورده‌ای را شبیه سازی کردند و سپس نشان دادند که با دستکاری در آن می‌توانند یک موج صوتی رسانا را که در طول سطح حرکت می‌کند، ثابت کنند.

آن‌ها می‌گویند: «این یک ایده و تصور بسیار غیر عادی بود. اکنون می‌توانیم نشان دهیم كه تقریبا تمام حالت‌های توپولوژیكی كه در سیستم‌های مصنوعی ما تحقق یافته‌اند، شكننده بوده و پایدار نیستند، همانطور كه ​​در گذشته تصور می‌شد».
 


منبع: phys.org
كلمات كليدي :
توپولوژی شکننده
 
امتیاز دهی
 
 

نظر شما
نام  
پست الكترونيک
وب سایت
متنی که در تصویر می بینید عینا تایپ نمایید
نظر
login