3 boyutlu topolojik materyallerde kuantum hall etkisi 'reenkarne'

3 boyutlu topolojik materyallerde kuantum hall etkisi 'reenkarne'
Yazıyı beğendiyseniz lütfen Paylaşın


Kuantum salon etkisi, 3 boyutlu topolojik materyallerde 'reenkarne edildi'

Bu resimlerdeki engebeli manzaralar, kuantum salonu etkisi sergileyen 2B malzemelerin yüzeyindeki elektrik potansiyelini göstermektedir. Sağlamlık seviyesi sistemdeki safsızlıklara karşılık gelir ve su seviyesi “Fermi enerjisi” veya elektronların dolum seviyesini temsil eder. Kuantum Salonu etkisinde (solda), perkülasyon eşiği (orta), topolojik düzene geçişi işaret eden ince ayarlı bir enerji durumudur. Rice Üniversitesi, California Üniversitesi Berkeley ve Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü'nde fizikçiler tarafından yapılan yeni araştırmalar, 3D topolojik malzemelerin yüzey enerji spektrumu boyunca kuantum dolaşma (sağda) kalıplarını koruyan bu özel 2D durumun “yığınlarını” buldu. Kredi bilgileri: M. Foster / Rice University

ABD ve Alman fizikçiler, modern fizikteki en ünlü fenomenlerden birinin – kuantum salonu etkisi – hataya dayanıklı kuantum bilgisayarları oluşturmak için kullanılabilecek topolojik süper iletkenlerde "reenkarne" olduğuna dair şaşırtıcı kanıtlar buldular.

Kuantum Hall etkisinin 1980 keşfi, topolojik düzeneklerin, oldukça sağlam olan uzun menzilli kuantum dolaşıklığı "korumalı" örüntülerine sahip elektronik devletlerin çalışmasını başlattı. Bu korunan durumların kararlılığı, bilgileri depolamak ve işlemek için kuantum dolaşıklığı kullanan kuantum hesaplama için son derece caziptir.

Bu ay çevrimiçi olarak yayınlanan bir çalışmada Fiziksel İnceleme X (PRX), Rice Üniversitesi, California Üniversitesi, Berkeley (UC Berkeley) ve Karlsruhe, Almanya'daki Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü (KIT) teorik fizikçileri, 2-B ve 3-B aşamaları arasında şaşırtıcı bir bağlantı olduğuna dair güçlü sayısal kanıtlar sundular. topolojik madde. Kuantum Hall etkisi 2-D materyallerde keşfedildi ve dünyadaki laboratuvarlar kuantum hesaplama için 3-B topolojik süperiletkenler yapma yarışındalar.

Fizik ve astronomi profesörü Rice yardımcı yazar Matthew Foster, "Bu çalışmada, 3-B topolojik süperiletkenlerin belirli bir sınıfının yüzeylerinde 2-B elektronik durumların 'enerji yığınları' sergilemesi gerektiğini gösterdik" dedi. ve Pirinç Kuantum Malzemeleri Merkezi (RCQM) üyesidir. "Bu yığılmış durumların her biri, 2-B kuantum salonu etkisinde ortaya çıkan tek, çok özel bir durumun sağlam bir 'reenkarnasyonudur."

Kuantum Hall etkisi ilk olarak iki boyutlu materyallerde ölçüldü. Foster, 2-B kuantum Salonu deneylerinde meydana gelen ve araştırmanın 3-B hesaplama modelleri arasındaki garip benzerlikleri görselleştirmeye yardımcı olmak için bir "süzme" benzetmesi kullanır.

"Sağlam tepeler ve vadiler haritasına sahip bir kağıdın resmini çizin ve sonra bu manzarayı suyla doldururken neler olacağını hayal edin" dedi. "Su bizim elektronlarımızdır ve sıvı seviyesi düşük olduğunda, sadece izole edilmiş elektron gölleri vardır. Göller birbirinden ayrılır ve elektronlar yığın boyunca iletemez. Su seviyesi yüksekse, izole adalara sahipler ve bu durumda adalar elektronlar gibidirler ve ayrıca toplu iletim elde edemezsiniz. "

Foster'ın benzetmesinde, engebeli manzara 2 boyutlu malzemenin elektrik potansiyelidir ve sağlamlık seviyesi sistemdeki kirliliklerin miktarına karşılık gelir. Su seviyesi, fizikte bir sistemdeki elektronların dolum seviyesini ifade eden bir kavram olan "Fermi enerjisini" temsil eder. Kağıt haritanın kenarları, 2-B malzemeyi çevreleyen 1D kenarlarına benzer.

"Su ekleyip sıvı seviyesini tam olarak gölleri birbirine bağlayan küçük su köprülerine ve adaları birbirine bağlayan küçük toprak köprülerine sahip olduğunuz noktaya ayarlarsanız, o zaman su veya kara yoluyla seyahat etmek kolaydır." Dedi. "Kuantum Salonu'ndaki topolojik durumlar arasındaki geçişe karşılık gelen perklasyon eşiği budur. Bu kuantum Salonu'ndaki özel 2-B durumudur.

"Sıvı seviyesini daha fazla arttırırsanız, şimdi elektronlar izole adalarda sıkışıp kalırsınız ve 'Eh, daha önce hiç iletim olmadan aynı durumum var' diye düşünürsünüz. Ancak, özel geçişte, elektronik durumlardan biri kenara sıyrıldı. Daha fazla sıvı eklemek, tüm numunenin etrafında dolaşabilen kenar durumunu kaldırmaz ve hiçbir şey durduramaz. "

Analoji, kuantum Hall efektindeki özel geçiş yoluyla sağlam kenar iletimi ve toplu ince ayar arasındaki ilişkiyi açıklar. PRX çalışmasında UC Berkeley'den Foster ve yardımcı yazarlar Björn Sbierski ve KIT'den Jonas Karcher, benzetmedeki 2-D manzaralarına benzeyen 3-B topolojik sistemleri incelediler.

Foster, “Bu 3-B sistemlerindeki ilginç şeyler de sadece sınırda oluyor” dedi. "Ama şimdi sınırlarımız 1B kenar durumları değil, 2-B yüzeyler."

Sbierski, Karcher ve Foster, "yüzey durumlarının kaba kuvvet sayısal hesaplarını" kullanarak kritik 2-B kuantum Salonu durumu ile 3-B sistemleri arasında bir bağlantı buldular. 2-B kuantum Hall malzemelerinde geçiş enerjisinin üzerinde kalan 1B kenar durumu gibi, hesaplamalar 3-B sistemlerde kalıcı bir 2-D sınır durumunu ortaya çıkarmıştır. Ve sadece herhangi iki boyutlu durum değil; 1D kuantum Salonu kenar durumlarına yol açan tam olarak aynı 2-boyutlu perkülasyon durumudur.

Foster, "2-B'de ince ayarlanmış bir topolojik kuantum faz geçişi olan şey, daha yüksek boyutlu bir kütlenin jenerik yüzey durumu olarak" reenkarne edildi ". "2018 çalışmasında, grubum farklı, daha egzotik bir 2-D kuantum Hall etkisi tipi ile başka bir 3-D topolojik süperiletken sınıfının yüzey durumları arasında benzer bir bağlantı tespit etti. Bu yeni kanıtla artık bu bağlantıların derin bir topolojik nedeni, ama şu anda matematik belirsizliğini koruyor. "

Topolojik süperiletkenler henüz deneysel olarak gerçekleştirilmemiştir, ancak fizikçiler topolojik yalıtkanlara safsızlıklar ekleyerek bunları yaratmaya çalışmaktadır. Doping olarak bilinen bu işlem, dökme izolatörlerden geleneksel olmayan süper iletkenlerin diğer tiplerini yapmak için yaygın olarak kullanılmaktadır.

"Artık beş 3-B topolojik fazdan üçünün, kuantum Hall etkisinin versiyonları olan 2-D fazlarına bağlı olduğuna ve üç 3-D fazının hepsinin de" topolojik süperiletkenlerde "gerçekleştirilebildiğine dair kanıtlarımız var." Dedi. .

Foster, yoğunlaştırılmış madde fiziğindeki geleneksel bilgeliğin, topolojik süperiletkenlerin her birinin yalnızca bir korumalı 2-D yüzey durumuna ev sahipliği yapacakları ve diğer tüm durumların, süperiletkenleri yapmak için kullanılan katı hal malzemelerindeki kaçınılmaz kusurlardan olumsuz etkileneceğini söyledi.

Ancak Sbierski, Karcher ve Foster'ın hesaplamaları böyle olmadığını gösteriyor.

Foster, "Kuantum Hall'da, herhangi bir yerde ayar yapabilir ve 1D kenar durumları nedeniyle bu sağlam platoyu iletken olarak alabilirsiniz." Dedi. "Çalışmalarımız 3-B'de de böyle olduğunu gösteriyor. Farklı enerji seviyelerinde kritik durum yığınları görüyoruz ve hepsi 2-B kuantum Salonu geçiş durumunun bu garip reenkarnasyonu ile korunuyor."

Yazarlar ayrıca bulgularını doğrulamak için deneysel çalışma için zemin hazırladılar ve 3-B fazlarının yüzey durumlarının çeşitli deneysel problarda nasıl görünmesi gerektiğine dair detayları incelediler.

Foster, “Topolojik fazların yüzey durumları için kesin istatistiksel 'parmak izleri' sağlıyoruz. "Gerçek dalga fonksiyonları, düzensizlik nedeniyle rastgele, ancak dağılımları evrenseldir ve kuantum salonu geçişine uygundur."


Yeni protokol büyüleyici kuantum durumlarını tanımlar


Daha fazla bilgi:
Björn Sbierski ve diğ. Sınıf AIII Topolojik Aşamalarının Yüzeyindeki Spektrum Geniş Kuantum Kritikliği: Tamsayı Kuantum Salonu Plato Geçişleri "Enerji Yığını", Fiziksel İnceleme X (2020 yılında). DOI: 10.1103 / PhysRevX.10.021025

Tarafından sunulan
Rice Üniversitesi


Alıntı:
                                                 Kuantum salon etkisi, 3 boyutlu topolojik materyallerde 'reenkarnasyon' (2020, 18 Mayıs)
                                                 18 Mayıs 2020
                                                 https://phys.org/news/2020-05-quantum-hall-effect-reincarnated-d.html adresinden

Bu belge telif haklarına tabidir. Özel çalışma veya araştırma amaçlı herhangi bir adil işlem dışında, hayır
                                            kısmı yazılı izin alınmadan çoğaltılabilir. İçerik yalnızca bilgi amaçlıdır.





Kaynak

admin

admin

Talebemektebi bir sevdanın hikayesi

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Translate »