استخدم الباحثون في جامعة كورنيل التصوير المغناطيسي ليرصدوا لأول مرة بشكل مباشر كيفية تدفق الإلكترونات في نوع خاص من العازل، مما سمح لهم باكتشاف أن تيار النقل يتدفق عبر الجزء الداخلي من المادة وليس حول حوافها، كما افترض العلماء منذ فترة طويلة.
يلقي هذا الاكتشاف الضوء على ديناميكيات الإلكترون في عوازل هول الكمومية الشاذة، ويساعد في حل الجدل المستمر منذ عقود حول كيفية تدفق التيار في عوازل هول الكمومية الأكثر عمومية. ستستفيد هذه الأفكار من تطوير المواد الطوبولوجية للأجهزة الكمومية من الجيل التالي.
نُشرت مؤخرًا ورقة فريق البحث في مجلة Nature Materials. المؤلف الأول لهذه الورقة هو مات فيرجسون، دكتوراه. لمدة 22 عامًا وحاليا باحث ما بعد الدكتوراه في معهد ماكس بلانك للفيزياء الكيميائية الصلبة في ألمانيا.
تأثير قاعة الكم
المشروع، بقيادة كاتيا نوفاك، أستاذ مساعد الفيزياء في كلية الآداب والعلوم وكبير مؤلفي الورقة، نشأ مما يعرف باسم تأثير هول الكمي. يسبب تأثير هول الكمي، الذي تم اكتشافه لأول مرة في عام 1980، ظاهرة غير عادية عندما يؤثر مجال مغناطيسي على مادة معينة: يصبح الجزء الداخلي من العينة السائبة عازلًا، بينما يتحرك التيار الكهربائي في اتجاه واحد على طول الحافة الخارجية. تكون المقاومة كمية، أو مقيدة، بقيمة محددة بواسطة ثابت عالمي أساسي، وتنخفض إلى الصفر.
عوازل القاعة الشاذة الكمومية، التي تم اكتشافها لأول مرة في عام 2013، تحقق نفس التأثير باستخدام المواد الممغنطة. لا يزال التكميم يحدث، وتختفي المقاومة الطولية، وتتسارع الإلكترونات على طول الحافة دون تبديد الطاقة، مثل الموصل الفائق إلى حد ما.
كسر المفاهيم الشعبية
وقال نوفاك: "إن صورة التيار المتدفق على طول الحافة هي تفسير جيد لكيفية حدوث التكميم. ولكن اتضح أن هذه ليست الصورة الوحيدة التي يمكن أن تفسر التكميم". "لقد هيمنت صورة الحافة هذه منذ الصعود المذهل للعوازل الطوبولوجية في بداية هذا القرن. لقد تم نسيان تعقيد الفولتية المحلية والتيارات المحلية إلى حد كبير. في الواقع، قد تكون هذه المواقف أكثر تعقيدًا بكثير مما توحي به صورة الحافة."
من المعروف حاليًا أن عددًا قليلاً فقط من المواد هي عوازل هول الشاذة الكمومية. في عملهم الجديد، ركز فريق نواك على تيلوريد الأنتيمون البزموت المشوب بالكروم، وهو نفس المركب الذي لوحظ لأول مرة أن له تأثير هول الشاذ الكمي قبل عقد من الزمن.
تمت زراعة العينة بواسطة متعاونين بقيادة أستاذ الفيزياء في ولاية بنسلفانيا نيتين سامارت. لمسح المادة، استخدم نواك وفيرغسون جهاز التداخل الكمي فائق التوصيل (SQUID) الخاص بمختبرهما، وهو جهاز استشعار حساس للغاية للمجال المغناطيسي يمكنه العمل في درجات حرارة مبردة واكتشاف المجالات المغناطيسية الصغيرة للغاية. يقوم SQUID بتصوير تدفق التيار (المسؤول عن المجال المغناطيسي) بشكل فعال ثم يجمع هذه الصور لإعادة بناء كثافة التيار.
وقال نوفاك: "كانت التيارات التي كنا ندرسها صغيرة جدًا جدًا، لذا كان من الصعب قياسها". "كنا بحاجة إلى قياس كمي جيد للعينة عند درجات حرارة أقل من واحد كلفن. وأنا فخور بأننا فعلنا ذلك."
الاكتشاف والتأثير المستقبلي
عندما لاحظ الباحثون أن الإلكترونات تتدفق في الجزء الأكبر من المادة، وليس عند الحواف، بدأوا في النظر في النتائج السابقة. ووجدوا أنه في السنوات التي تلت اكتشاف تأثير هول الكمي لأول مرة في عام 1980، كان هناك الكثير من الجدل حول مكان حدوث تدفق الإلكترون، وهو جدل لم يكن معظم علماء المواد الشباب على علم به.
وقالت: "آمل أن ينتبه الجيل الجديد الذي يعمل على المواد الطوبولوجية إلى هذا العمل ويعيد فتح النقاش. من الواضح أننا لا نفهم حتى بعض الجوانب الأساسية لما يحدث في المواد الطوبولوجية". "إذا لم نفهم كيف تتدفق الكهرباء، فماذا نعرف حقًا عن هذه المواد؟
قد تكون الإجابة على هذه الأسئلة ذات صلة أيضًا بصنع أجهزة أكثر تعقيدًا، مثل التقنيات الهجينة التي تجمع بين الموصلات الفائقة وعوازل هول الكمومية الشاذة لإنشاء حالات أكثر غرابة للمادة.
وقال نوفاك: "سأكون مهتماً بمعرفة ما إذا كانت الظواهر التي لاحظناها تنطبق على أنظمة مواد مختلفة. ربما في بعض المواد، يتدفق التيار بشكل مختلف". "بالنسبة لي، هذا يسلط الضوء على سحر المواد الطوبولوجية - يتم تحديد سلوكها في القياسات الكهربائية من خلال مبادئ عامة جدًا، مستقلة عن التفاصيل المجهرية. ومع ذلك، فإن فهم ما يحدث على المستوى المجهري أمر بالغ الأهمية، سواء لفهمنا الأساسي أو للتطبيقات. هذا التفاعل بين المبادئ العامة والفروق الدقيقة هو ما يجعل دراسة المواد الطوبولوجية رائعة ورائعة."