In un nuovo esperimento, i fisici hanno osservato effetti di coerenza quantistica a lungo raggio dovuti all’interferenza di Aharonov-Bohm in un dispositivo basato su un isolante topologico. Questa scoperta apre un nuovo regno di possibilità per il futuro sviluppo della fisica e dell'ingegneria quantistica topologica.
Questa scoperta potrebbe anche influenzare lo sviluppo dell'elettronica basata sullo spin, che potrebbe potenzialmente sostituire alcuni attuali sistemi elettronici per una maggiore efficienza energetica e potrebbe fornire nuove piattaforme per esplorare la scienza dell'informazione quantistica.
La ricerca, pubblicata nel numero del 20 febbraio di Nature Physics è il culmine di oltre 15 anni di lavoro a Princeton. Ciò è avvenuto quando gli scienziati di Princeton hanno sviluppato un dispositivo quantistico, chiamato bromuro di bismuto (α-Bi4 Fratello4 ) isolante topologico, spesso solo pochi nanometri e lo abbiamo utilizzato per studiare la coerenza quantistica.
Gli scienziati utilizzano isolanti topologici per dimostrare nuovi effetti quantistici da oltre un decennio. Il team di Princeton ha sviluppato il suo isolante a base di bismuto in un precedente esperimento in cui ne ha dimostrato l'efficacia a temperatura ambiente.
Ma questo nuovo esperimento è la prima volta che questi effetti vengono osservati con una coerenza quantistica a lungo raggio e a una temperatura relativamente elevata. L'induzione e l'osservazione di stati quantistici coerenti richiede in genere temperature vicine allo zero assoluto su materiali semiconduttori progettati artificialmente solo in presenza di forti campi magnetici.
"I nostri esperimenti forniscono prove convincenti dell'esistenza di coerenza quantistica a lungo raggio nelle modalità cerniera topologiche, aprendo così nuove strade verso lo sviluppo di circuiti topologici e l'utilizzo di questo metodo topologico per esplorare e far avanzare la fisica fondamentale", ha affermato M. Zahid Hasan , Eugene Higgins professore di fisica all'Università di Princeton, che ha guidato la ricerca.
"A differenza dei dispositivi elettronici convenzionali, i circuiti topologici sono resistenti a difetti e impurità, il che li rende molto meno soggetti alla dissipazione di energia, il che è vantaggioso per le applicazioni più ecologiche."
Negli ultimi anni, lo studio degli stati topologici della materia ha attirato notevole attenzione tra fisici e ingegneri ed è attualmente al centro di molto interesse e ricerca a livello internazionale. Quest'area di studio combina la fisica quantistica con la topologia, una branca della matematica teorica che esplora le proprietà geometriche che possono essere deformate ma non modificate intrinsecamente.
Il dispositivo principale utilizzato per indagare i misteri della topologia quantistica è chiamato isolante topologico. Si tratta di un dispositivo unico che agisce come un isolante al suo interno, il che significa che gli elettroni all'interno non sono liberi di muoversi e quindi non conducono elettricità. Tuttavia, gli elettroni sui bordi del dispositivo sono liberi di muoversi, il che significa che sono conduttivi.
Inoltre, a causa delle particolari proprietà della topologia, gli elettroni che fluiscono lungo i bordi non sono ostacolati da eventuali difetti o deformazioni. Un tipo speciale di topologia è possibile anche in alcuni materiali a base di bismuto in cui alcuni bordi possono essere separati e solo alcune cerniere rimangono conduttrici.
Un dispositivo realizzato con tali materiali topologici ha il potenziale non solo di migliorare la tecnologia ma anche di generare una maggiore comprensione della materia stessa sondando le proprietà quantistiche in modi nuovi e innovativi.
Fino ad ora, tuttavia, l'incapacità di raggiungere tempi di coerenza lunghi ha rappresentato un grave ostacolo nella ricerca di utilizzare i materiali per applicazioni in dispositivi funzionali. La coerenza si riferisce alla capacità di mantenere gli stati quantistici di sovrapposizione ed entanglement nonostante influenze dirompenti, come la termalizzazione o altre interazioni con l'ambiente.
"C'è molto interesse per i materiali topologici e la gente spesso parla del loro grande potenziale per applicazioni pratiche", ha detto Hasan, "ma fino a quando non si potrà dimostrare che qualche effetto topologico quantistico macroscopico ha una lunga coerenza quantistica e può anche operare a velocità relativamente elevate." temperature, queste applicazioni probabilmente rimarranno non realizzate. Pertanto, siamo alla ricerca di materiali che mostrino coerenza quantistica a lungo raggio degli elettroni topologici."
Il team di Hasan esplora materiali topologici a base di bismuto da quasi due decenni. Recentemente, tuttavia, il team ha scoperto che l'isolante di bromuro di bismuto ha proprietà che lo rendono più ideale rispetto agli isolanti topologici a base di bismuto (comprese le leghe Bi-Sb) che avevano studiato dal 2005. Ha un ampio gap isolante di oltre 200 meV (millielettronvolt). Questo è abbastanza grande da superare il rumore termico, ma abbastanza piccolo da non interrompere l'effetto di accoppiamento spin-orbita e la topologia di inversione di banda.
Gli isolanti al bromuro di bismuto appartengono a una classe di isolanti topologici che mostrano anche effetti di ordine elevato le cui superfici diventano isolanti, ma i bordi degli orientamenti dettati da una certa simmetria rimangono conduttori. Questi sono chiamati stati cerniera e sono stati recentemente teorizzati dal gruppo del collaboratore e coautore Titus Neupert presso l'Università di Zurigo.
"Sebbene ciò non fosse garantito in teoria, attraverso diversi anni di sperimentazione abbiamo scoperto che gli stati cerniera del bromuro di bismuto hanno una coerenza quantistica a lungo raggio a temperature relativamente elevate. In questo caso, nei nostri esperimenti basati sui dispositivi che abbiamo fabbricato, abbiamo trovato un equilibrio tra effetti di accoppiamento spin-orbita, coerenza quantistica a lungo raggio e fluttuazioni termiche," ha affermato Hasan.
"Abbiamo scoperto che esiste un 'punto debole' in cui è possibile avere un grado relativamente elevato di coerenza quantistica delle modalità di cerniera topologiche e allo stesso tempo operare a una temperatura relativamente elevata. È una specie di punto di equilibrio per i materiali a base di bismuto che noi studiano da quasi due decenni."
Utilizzando un microscopio a scansione a effetto tunnel, i ricercatori hanno osservato un chiaro stato marginale di Hall con spin quantistico, che è una delle proprietà importanti che esiste unicamente nei sistemi topologici. Ciò ha richiesto una nuova strumentazione aggiuntiva per isolare in modo univoco l'effetto topologico.
Anche se il bismuto possiede un tale stato quantico, il materiale stesso è un semimetallo senza alcuna lacuna di energia isolante. Ciò rende difficile esplorarne le conseguenze nel trasporto degli elettroni perché, nel bismuto, i canali di trasporto contengono elettroni sia dallo stato principale che da quello cerniera. Mescolano e offuscano il segnale di trasporto quantistico coerente degli stati cerniera.
Un ulteriore problema è causato da quello che i fisici chiamano “rumore termico”, definito come un aumento della temperatura tale che gli atomi iniziano a vibrare violentemente. Questa azione può distruggere delicati sistemi quantistici, facendo crollare così lo stato quantistico. Negli isolanti topologici, in particolare, queste temperature più elevate creano una situazione in cui gli elettroni sulla superficie dell'isolante invadono l'interno, o "la massa", dell'isolante e fanno sì che anche gli elettroni lì inizino a condurre, cosa che diluisce o rompe l'effetto quantistico speciale. Le fluttuazioni termiche distruggono anche la coerenza di fase quantistica degli elettroni.
Ma l’isolante di bromuro di bismuto sviluppato dal team è stato in grado di aggirare questo e altri problemi. Hanno utilizzato il dispositivo per dimostrare il trasporto quantistico coerente attraverso le modalità delle cerniere topologiche. Una caratteristica del trasporto quantistico coerente è la manifestazione dell'interferenza quantistica di Aharonov-Bohm.
L'interferenza Aharonov-Bohm, prevista quasi 60 anni fa (il fisico David Bohm fu a Princeton dal 1947 al 1951), descrive un fenomeno in cui un'onda quantistica si divide in due onde che seguono un percorso chiuso e interferiscono sotto l'influenza di un'onda elettromagnetica potenziale.
La figura di interferenza risultante è determinata dal flusso magnetico racchiuso dalle onde. Nel caso degli elettroni, tale interferenza quantistica si verifica se gli elettroni di conduzione rimangono coerenti di fase dopo aver completato traiettorie chiuse, risultando in un'oscillazione periodica della resistenza elettrica con un periodo caratteristico del campo magnetico ΔB = Φ0 /S, dove Φ0 = h/e è il quanto di flusso, S è l'area su cui le traiettorie degli elettroni rimangono coerenti di fase, h è la costante di Planck ed e è la carica dell'elettrone.
Per i canali di conduzione topologici, tutte le traiettorie coerenti di fase che partecipano all'interferenza quantistica racchiudono la stessa area perpendicolare al campo B, che è diversa dalle fluttuazioni universali di conduttanza. Qui presentano tracce di magnetoresistenza dall'α-Bi4 Fratello4 campioni che mostrano oscillazioni periodiche B, il segno distintivo dell'effetto Aharonov-Bohm derivante da portanti coerenti di fase.
"Per la prima volta, abbiamo dimostrato che esiste una classe di dispositivi elettronici topologici basati su bismuto che possono avere un alto grado di coerenza quantistica e sopravvivere fino a temperature relativamente elevate, il che è dovuto all'effetto di interferenza Aharonov-Bohm derivante dalla topologia coerente di fase elettroni", ha detto Hasan.
Le radici topologiche della scoperta affondano nel funzionamento dell'effetto Hall quantistico, una forma di effetto topologico che è stata oggetto del Premio Nobel per la fisica nel 1985. Da allora, le fasi topologiche sono state studiate intensamente.
Sono state scoperte molte nuove classi di materiali quantistici con strutture elettroniche topologiche, inclusi isolanti topologici, superconduttori topologici, magneti topologici e semimetalli di Weyl. Sia le scoperte sperimentali che quelle teoriche sono continuate.
Daniel Tsui, professore emerito di ingegneria elettrica Arthur Legrand Doty a Princeton, ha vinto il premio Nobel per la fisica nel 1998 per aver scoperto l'effetto Hall quantistico frazionario, mentre F. Duncan Haldane, professore di fisica Eugene Higgins a Princeton, ha vinto il premio Nobel 2016. in Fisica per scoperte teoriche sulle transizioni di fase topologiche e su un tipo di isolanti topologici bidimensionali (2D).
Successivi sviluppi teorici hanno mostrato che gli isolanti topologici possono assumere la forma di due copie del modello di Haldane basato sull'interazione spin-orbita dell'elettrone.
Hasan e il suo team sono alla ricerca decennale di uno stato quantistico topologico che possa anche preservare un elevato grado di coerenza quantistica a una temperatura relativamente elevata, in seguito alla scoperta dei primi esempi di isolanti topologici tridimensionali nel 2007.
Recentemente, hanno trovato una soluzione alla congettura di Haldane in un materiale topologico in grado di funzionare a temperatura ambiente, che presenta anche la quantizzazione desiderata.
"Un'adeguata progettazione chimica atomica e strutturale abbinata alla teoria dei principi primi è il passo cruciale per rendere realistica la previsione speculativa dell'isolante topologico in un dispositivo in grado di mantenere la coerenza quantistica a lungo termine", ha affermato Hasan.
"Esistono molti materiali topologici a base Bi e abbiamo bisogno sia di intuizione, esperienza, calcoli specifici dei materiali che intensi sforzi sperimentali per trovare alla fine il materiale giusto per l'esplorazione approfondita nell'impostazione di un dispositivo. E questo ci ha richiesto un decennio... lungo viaggio alla ricerca di alcuni materiali a base di bismuto che alla fine sembrano funzionare."
"Crediamo che questa scoperta possa essere il punto di partenza dello sviluppo futuro dell'ingegneria quantistica e della nanotecnologia", ha affermato Shafayat Hossain, ricercatore post-dottorato associato nel laboratorio di Hasan e co-primo autore dello studio.
"Ci sono così tante possibilità proposte nella scienza quantistica topologica e nella tecnologia ingegneristica che attendono, e trovare materiali appropriati con lunghe proprietà di coerenza quantistica abbinati a una nuova strumentazione è una delle chiavi per questo. Ed è ciò che abbiamo ottenuto."
"Se gli elettroni non rimbalzano o sono agitati, non perdono energia", ha detto Hasan. "Ciò crea una base quantistica per il risparmio energetico o per tecnologie più ecologiche perché consumano molta meno energia. Ma questo è ancora molto lontano."
Attualmente, il focus teorico e sperimentale del team di Hasan è concentrato in due direzioni, ha affermato Hasan. In primo luogo, i ricercatori vogliono determinare quali altri materiali topologici potrebbero mostrare un livello simile o superiore di coerenza quantistica e, soprattutto, fornire ad altri scienziati gli strumenti e nuovi metodi di strumentazione per identificare questi materiali che funzioneranno a temperature più elevate.
In secondo luogo, i ricercatori vogliono continuare a sondare più a fondo il mondo quantistico e cercare nuova fisica nell’impostazione dei dispositivi. Questi studi richiederanno lo sviluppo di un'altra serie di nuovi strumenti, tecniche e dispositivi topologici per sfruttare appieno l'enorme potenziale di questi materiali meravigliosi.
Nan Yao, coautore dell'articolo intitolato "Risposta del trasporto quantistico delle modalità di cerniera topologica", e professore presso il Princeton Materials Institute, ha riassunto la ricerca dicendo:"Questo lavoro sugli isolanti topologici di ordine superiore esemplifica la bellezza e l'importanza di scoprire nuovi aspetti della natura, come la coerenza quantistica degli stati cerniera topologici."
"È una scoperta che potrebbe potenzialmente portare a entusiasmanti progressi nei dispositivi quantistici, e mi viene in mente la famosa citazione di Einstein:'La cosa più bella che possiamo sperimentare è il misterioso. È la fonte di tutta la vera arte e scienza.'"
Ulteriori informazioni: Md Shafayat Hossain et al, Risposta al trasporto quantistico delle modalità cerniera topologiche, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02388-1
Fornito dall'Università di Princeton
