اثر کوانتومی هال 'استاد' در 3D topological مواد

هوستون -- (18 مه سال 2020) -- ایالات متحده و آلمان فیزیکدانان پیدا کرده اند تعجب آور شواهدی وجود دارد که یکی از معروف ترین پدیده ها در فیزیک مدرن -- کوانتومی اثر هال -- است "استاد" در topological ابررساناهای است که می تواند مورد استفاده برای ساخت fault-tolerant کامپیوترهای کوانتومی.

سال 1980 کشف اثر هال کوانتومی لگد مطالعه topological سفارشات الکترونیکی متحده با "حفاظت شده" الگوهای دوربرد درهمتنيدگی کوانتومی است که قابل ملاحظه ای قوی. ثبات این محافظت متحده بسیار جذاب برای محاسبات کوانتومی که با استفاده از درهمتنيدگی کوانتومی برای ذخیره و پردازش اطلاعات است.

در یک مطالعه منتشر شده در این ماه در نقد و بررسی فیزیکی X (PRX), فیزیکدانان نظری از دانشگاه رایس دانشگاه برکلی کالیفرنیا (UC Berkeley) و موسسه کارلسروهه فناوری KIT) در کارلسروهه آلمان ارائه قوی عددی شواهد تعجب آور پیوند بین 2D و 3D مراحل topological مهم است. کوانتومی اثر هال کشف شد 2D مواد و آزمایشگاه در سراسر جهان در یک مسابقه به 3D topological ابررساناهای برای محاسبات کوانتومی.

"در این کار ما نشان داده ایم که در یک کلاس خاص از 3D topological ابررساناهای باید نمایشگاه انرژی پشته' 2D الکترونیکی متحده در سطوح خود گفت:" برنج co-نویسنده متی پرورش استادیار فیزیک و نجوم و عضو برنج مرکز کوانتومی مواد (RCQM). "هر یک از این انباشته متحده قوی 'تناسخ در جسم تازه از یک واحد بسیار ویژه دولت رخ می دهد که در 2D کوانتومی اثر هال."

کوانتومی اثر هال برای اولین بار اندازه گیری دو بعدی در مواد. پرورش با استفاده از "نفوذ" قیاس برای کمک به تجسم عجیب و غریب شباهت بین آنچه اتفاق می افتد در 2D کوانتومی هال آزمایش و مطالعه 3D مدل های محاسباتی.

"تصویر یک ورق کاغذ با یک نقشه ناهموار و قله ها و دره ها و سپس تصور کنید چه اتفاقی می افتد که شما را پر کنید که چشم انداز با آب," او گفت:. "آب ما الکترون و هنگامی که سطح مایع کم است, شما فقط باید جدا دریاچه ها و الکترون. این دریاچه در حال قطع از یک دیگر و الکترون نمی تواند انجام در سراسر فله. اگر سطح آب بالا است که شما باید جزایر جدا شده و در این مورد جزایر هستند مانند الکترون و شما نیز نمی توانید فله هدایت."

در فاستر قیاس ناهموار چشم انداز برقی پتانسیل 2D مواد و سطح استحکام مربوط به میزان ناخالصی های موجود در سیستم. سطح آب نشان دهنده "فرمی" یک مفهوم در فیزیک است که اشاره به پر شدن سطح الکترون در یک سیستم. لبه های کاغذ نقشه های مشابه به 1D لبه های آن را احاطه کرده 2D مواد.

"اگر شما اضافه کردن آب و تنظیم سطح مایع دقیقا به نقطه که در آن شما باید کمی پل آب اتصال دریاچه ها و پل ها از زمین اتصال جزایر سپس آن را به عنوان آسان به سفر با آب و یا زمین" فاستر گفت. "این است که نفوذ آستانه که مربوط به انتقال بین topological متحده در کوانتومی هال. این ویژه 2D دولت کوانتومی هال.

"اگر شما با افزایش سطح مایع بیشتر در حال حاضر الکترون های به دام افتاده در جزایر جدا شده و شما می خواهم فکر می کنم" خوب من هم همین وضعیت من تا به حال قبل با هدایت.' اما در ویژه انتقال یکی از الکترونیکی متحده پوست کنده دور لبه. اضافه کردن بیشتر مایع را حذف نمیکند لبه دولت است که می توانید در اطراف کل نمونه و هیچ چیز نمی تواند آن را متوقف کند."

قیاس توصیف رابطه بین قوی لبه هدایت و فله ریز تنظیم از طریق ویژه انتقال کوانتومی اثر هال. در PRX مطالعه فاستر و نویسندگان Bjo?rn Sbierski از دانشگاه برکلی و جوناس Karcher از کیت مورد مطالعه 3D topological سیستم که شبیه به 2D مناظر در قیاس است.

"از چیزهای جالب در این سیستم 3D نیز اتفاق می افتد تنها در مرز" پرورش گفت. "اما در حال حاضر مرزهای ما نیست 1D لبه متحده آنها 2D سطوح."

با استفاده از "brute-force محاسبات عددی از سطح متحده" Sbierski, Karcher و پرورش یک ارتباط بین بحرانی 2D کوانتومی هال دولت و 3D systems. مانند 1D لبه دولت است که همچنان ادامه دارد در بالای انتقال انرژی در 2D کوانتومی هال مواد محاسبات نشان داد مداوم 2D مرز دولت در 3D systems. و نه فقط هر 2D دولت آن است که دقیقا همان 2D نفوذ دولت است که به افزایش 1D کوانتومی هال لبه متحده است.

"چه خوب تنظیم topological گذار فاز کوانتومی در 2D شده است 'استاد' به عنوان generic سطح دولت برای بالاتر بعدی به صورت فله" پرورش گفت. "در سال 2018 مطالعه من گروه شناسایی یک اتصال مشابه بین دو نوع عجیب و غریب از 2D کوانتومی اثر هال و سطح متحده از کلاس دیگری از 3D topological ابررساناهای. با این شواهد جدید ما در حال حاضر با اعتماد به نفس وجود دارد که topological دلیل برای این اتصالات, اما در حال حاضر ریاضیات مبهم باقی می ماند."

Topological ابررساناهای با این حال باید متوجه تجربی اما فیزیکدانان در حال تلاش برای ایجاد آنها را با اضافه کردن ناخالصی به عایق توپولوژیک. این فرایند شناخته شده به عنوان دوپینگ شده است به طور گسترده ای مورد استفاده برای ایجاد انواع دیگر غیر متعارف ابررساناهای از فله عایق.

"ما در حال حاضر شواهدی وجود دارد که سه تا از پنج 3D topological فاز به 2D فاز است که نسخه های کوانتومی اثر هال و تمام 3D سه فاز می توان متوجه شد در 'topological ابررساناهای,'" پرورش گفت.

فاستر گفت: عقل متعارف در فیزیک ماده چگال شده است که topological ابررساناهای خواهد هر میزبان تنها یک محافظت 2D سطح دولت و همه کشورهای دیگر خواهد بود منفی تحت تاثیر اجتناب ناپذیر عیوب در حالت جامد مواد مورد استفاده در ساخت ابررساناهای.

اما Sbierski, Karcher و پرورش محاسبات نشان می دهد که مورد نیست.

"در کوانتومی هال شما می توانید لحن در هر نقطه و هنوز هم این قوی فلات در رسانش با توجه به 1D لبه متحده" فاستر گفت. "کار ما نشان می دهد که آن نیز در مورد 3D. ما پشته از مهم کشورهای مختلف در سطوح انرژی و همه آنها در حال محافظت شده توسط این عجیب و غریب تناسخ در جسم تازه از 2D کوانتومی هال انتقال دولت است."

نویسندگان همچنین تنظیم صحنه برای کار تجربی به منظور بررسی یافته های خود را کار کردن جزئیات از چگونگی سطح متحده 3D مرحله به نظر می رسد باید در آزمايش پروب.

"ما با ارائه دقیق آماری 'اثر انگشت' به صورت سطح متحده topological فاز" پرورش گفت. "واقعی توابع موج تصادفی هستند به دلیل اختلال, اما آنها توزیع جهانی هستند و مطابقت کوانتومی هال گذار."

###

این تحقیقات با حمایت بنیاد ملی علوم حرفه ای گرانت (1552327) آلمان آکادمی ملی علوم لئوپلدینا (LPDS 2018-12) یک کیت پژوهشی کمک هزینه سفر, آلمانی دولتی فارغ التحصیل بودجه و UC برکلی کتابخانه برکلی تحقیقات تاثیر ابتکار.

RCQM اهرم مشارکت جهانی و قوت بیش از 20 برنج گروه های تحقیقاتی برای رسیدگی به سوالات مربوط به کوانتوم مواد. RCQM پشتیبانی می کند برنج دفاتر از شهردار و معاون شهردار برای پژوهش Wiess دانشکده علوم طبیعی قهوه ای دانشکده فنی و مهندسی این اسمالی-حلقه موسسه و بخش فیزیک و نجوم برق و کامپیوتر مهندسی و علم مواد و NanoEngineering.

لینک ها و منابع:

این دویی از نقد و بررسی فیزیکی X مقاله: 10.1103/PhysRevX.10.021025

یک کپی از PRX کاغذ در دسترس است: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.10.021025.

تصاویر با وضوح بالا برای دانلود در دسترس هستند در:

https://news-شبکه.برنج.edu/اخبار/فایل/2016/01/0125_FOSTER-024-lg-15p6ur1.jpg
عنوان: Matthew فاستر (عکس از جف Fitlow/دانشگاه رایس)

https://news-شبکه.برنج.edu/اخبار/فایل/2020/05/0518_ENERGYSTACK-انجیر-lg.jpg
عنوان: ناهموار مناظر در این تصاویر به تصویر کشیدن پتانسیل الکتریکی در سطح 2D مواد است که نمایشگاه کوانتومی اثر هال. سطح استحکام مربوط به ناخالصی های موجود در سیستم و سطح آب نشان دهنده "فرمی" و یا پر کردن سطح الکترون. در این اثر هال کوانتومی (چپ) از نفوذ آستانه (متوسط) یک تنظیم انرژی دولت که نشانه انتقال به topological سفارش. تحقیقات جدید توسط فیزیکدانان در دانشگاه رایس دانشگاه کالیفرنیا در برکلی و موسسه کارلسروهه فناوری پیدا کرده است "پشته" از این ویژه 2D دولت است که از الگوهای درهمتنيدگی کوانتومی (راست) در سراسر سطح انرژی طیف 3D topological مواد. (گرافیک حسن نیت ارائه میدهد از M. فاستر/دانشگاه رایس)

این نسخه می تواند به صورت آنلاین در news.rice.edu.

دنبال برنج اخبار و رسانه ها روابط از طریق توییتر @RiceUNews.

واقع در 300 هکتار جنگلی پردیس در هوستون, برنج, دانشگاه همواره رتبه در میان ملت از 20 دانشگاه توسط اخبار آمریکا و گزارش جهانی. برنج بسیار محترم مدارس معماری, کسب و کار, ادامه تحصیل, مهندسی, علوم انسانی, موسیقی, علوم طبیعی و علوم اجتماعی و به بیکر موسسه سیاست عمومی. با 3,962 دانشجویان و 3,027 دانشجویان تحصیلات تکمیلی برنج را در مقطع کارشناسی دانشجو-به-دانشکده نسبت کمتر از 6 به 1. آن مسکونی کالج سیستم ایجاد صمیمی جوامع و دوستی مادام العمر فقط یک دلیل که چرا برنج رتبه شماره 1 برای بسیاری از نژاد/کلاس تعامل و شماره 4 برای کیفیت زندگی توسط پرینستون را نقد کنید. برنج نیز امتیاز به عنوان بهترین ارزش در میان دانشگاه های خصوصی توسط Kiplinger امور مالی شخصی.