ReadyPlanet.com


อนุภาคควอนตัมแปลกใหม่ — ต้องใช้สนามแม่เหล็กน้อยลง


 อนุภาคและปรากฏการณ์ควอนตัมที่แปลกใหม่เปรียบเสมือนนักกีฬาชั้นยอดที่กล้าหาญที่สุดในโลก เช่นเดียวกับนักปีนเขาเดี่ยวอิสระที่ไต่หน้าผาสูงชันที่เป็นไปไม่ได้โดยไม่ต้องใช้เชือกหรือสายรัด มีเพียงสภาพที่รุนแรงที่สุดเท่านั้นที่จะดึงดูดพวกเขาให้ปรากฏตัว สำหรับปรากฏการณ์ที่แปลกใหม่ เช่น ความเป็นตัวนำยิ่งยวดหรืออนุภาคที่มีประจุเพียงเศษเสี้ยวของอิเล็กตรอน นั่นหมายถึงอุณหภูมิต่ำมากหรือสนามแม่เหล็กที่สูงมาก

แต่ถ้าคุณสามารถแสดงอนุภาคและปรากฏการณ์เหล่านี้ภายใต้สภาวะที่รุนแรงน้อยกว่าได้ล่ะ ส่วนใหญ่เกิดจากศักยภาพของตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง แต่การสร้างอนุภาคที่มีประจุแบบเศษส่วนแปลกใหม่ที่สนามแม่เหล็กต่ำถึงศูนย์มีความสำคัญเท่าเทียมกันต่ออนาคตของวัสดุและการใช้งานควอนตัม ซึ่งรวมถึงคอมพิวเตอร์ควอนตัมรูปแบบใหม่

ตอนนี้ ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด นำโดย Amir Yacoby ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์และฟิสิกส์ประยุกต์ที่ Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) และ Ashvin Vishwanath ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ในภาควิชาฟิสิกส์ ในความร่วมมือกับ Pablo Jarillo-Herrero ที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ ได้สังเกตเห็นสถานะเศษส่วนแปลกใหม่ที่สนามแม่เหล็กต่ำในกราฟีนแบบ bilayer แบบบิดเกลียวเป็นครั้งแรก

งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในNature

Yacoby ผู้เขียนอาวุโสของการศึกษากล่าวว่า "หนึ่งในจอกศักดิ์สิทธิ์ในด้านฟิสิกส์ของสสารควบแน่นกำลังได้รับอนุภาคแปลกใหม่ที่มีสนามแม่เหล็กต่ำถึงศูนย์" "มีการคาดการณ์ทางทฤษฎีว่าเราควรจะสามารถเห็นอนุภาคที่แปลกประหลาดเหล่านี้ที่มีสนามแม่เหล็กต่ำถึงศูนย์ แต่ไม่มีใครสามารถสังเกตได้จนถึงขณะนี้"

นักวิจัยมีความสนใจในสถานะควอนตัมที่แปลกใหม่ที่เรียกว่าฉนวน Chern แบบเศษส่วน ลูกถ้วย Chern เป็นฉนวนทอพอโลยี หมายความว่า พวกมันนำไฟฟ้าบนพื้นผิวหรือขอบ แต่ไม่อยู่ตรงกลาง

ในฉนวน Chern แบบเศษส่วน ปฏิกิริยาของอิเล็กตรอนจะสร้างสิ่งที่เรียกว่า quasiparticles ซึ่งเป็นอนุภาคที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาที่ซับซ้อนระหว่างอนุภาคอื่นๆ จำนวนมาก ตัวอย่างเช่น เสียงสามารถอธิบายได้ว่าเป็น quasiparticle เพราะมันเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาที่ซับซ้อนของอนุภาคในวัสดุ เช่นเดียวกับอนุภาคพื้นฐาน quasiparticles มีคุณสมบัติที่กำหนดไว้อย่างดี เช่น มวลและประจุ

ในตัวฉนวน Chern แบบเศษส่วน ปฏิกิริยาของอิเล็กตรอนนั้นแข็งแกร่งมากภายในวัสดุจนควอซิพิเคิลถูกบังคับให้บรรทุกประจุของอิเล็กตรอนปกติเพียงเศษเสี้ยว อนุภาคเศษส่วนเหล่านี้มีคุณสมบัติควอนตัมที่แปลกประหลาดที่สามารถนำมาใช้เพื่อสร้างบิตควอนตัมที่แข็งแกร่งซึ่งมีความยืดหยุ่นสูงต่อการรบกวนจากภายนอก

เพื่อสร้างฉนวน นักวิจัยใช้แผ่นกราฟีนสองแผ่นบิดเข้าด้วยกันในมุมที่เรียกว่ามายากล Twisting ปลดล็อกคุณสมบัติใหม่และแตกต่างกันในกราฟีน รวมทั้งความเป็นตัวนำยิ่งยวด ซึ่งค้นพบครั้งแรกโดยกลุ่มของ Jarillo-Herrero ที่ MIT และรัฐที่รู้จักกันในชื่อ Chern bands ซึ่งมีศักยภาพที่ดีในการสร้างสถานะควอนตัมแบบเศษส่วน ตามที่กลุ่มของ Vishwanath ที่ฮาร์วาร์ดแสดงให้เห็นในทางทฤษฎี

ลองนึกถึงวง Chern เหล่านี้เหมือนถังที่เติมอิเล็กตรอน

"ในการศึกษาก่อนหน้านี้ คุณต้องการสนามแม่เหล็กขนาดใหญ่เพื่อสร้างถังเหล่านี้ ซึ่งเป็นโครงสร้างแบบทอพอโลยีที่คุณต้องใช้เพื่อให้ได้อนุภาคเศษส่วนแปลก ๆ เหล่านี้" แอนดรูว์ ที. เพียร์ซ นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาในกลุ่มยาโคบี้และผู้ร่วมก่อตั้งกลุ่มแรกกล่าว ผู้เขียนบทความ "แต่กราฟีน bilayer bilayer บิดมุมมายากลมีหน่วยทอพอโลยีที่มีประโยชน์เหล่านี้สร้างขึ้นที่สนามแม่เหล็กเป็นศูนย์"

ในการสร้างสถานะเศษส่วน นักวิจัยจำเป็นต้องเติมอิเล็กตรอนในถังเพียงเศษเสี้ยวของวิธีการ แต่นี่คือปัญหา: เพื่อให้สิ่งนี้ใช้งานได้ อิเล็กตรอนทั้งหมดในถังต้องมีคุณสมบัติใกล้เคียงกัน ในกราฟีน bilayer บิดเบี้ยวพวกเขาทำไม่ได้ ในระบบนี้ อิเล็กตรอนมีคุณสมบัติระดับต่างๆ กันที่เรียกว่าความโค้งของ Berry ซึ่งทำให้อิเล็กตรอนแต่ละตัวสัมผัสกับสนามแม่เหล็กที่เชื่อมโยงกับโมเมนตัมเฉพาะของมัน (มันซับซ้อนกว่านั้น แต่สิ่งที่ไม่ใช่ในฟิสิกส์ควอนตัม?)

เมื่อเติมถัง ความโค้งเบอร์รี่ของอิเล็กตรอนจะต้องเท่ากันเพื่อให้สถานะฉนวน Chern ที่เป็นเศษส่วนปรากฏขึ้น

นั่นคือที่มาของสนามแม่เหล็กขนาดเล็ก

"เราแสดงให้เห็นว่าเราสามารถใช้สนามแม่เหล็กขนาดเล็กมากเพื่อกระจายความโค้งของ Berry ให้เท่ากันระหว่างอิเล็กตรอนในระบบ ทำให้เราสามารถสังเกตฉนวน Chern ที่เป็นเศษส่วนในกราฟีน bilayer บิดเบี้ยว" Yonglong Xie นักวิจัยด้านดุษฏีบัณฑิตที่ SEAS และ co- ผู้เขียนคนแรกของบทความ "งานวิจัยชิ้นนี้ให้ความกระจ่างเกี่ยวกับความสำคัญของความโค้งของ Berry ในการตระหนักถึงสภาวะแปลกใหม่ที่เป็นเศษส่วนและอาจชี้ไปที่แพลตฟอร์มที่ปรับเปลี่ยนได้ซึ่งความโค้งของ Berry ไม่ได้ต่างกันเหมือนในกราฟีนที่บิดเบี้ยว"

Vishwanath ผู้เขียนอาวุโสของการศึกษากล่าวว่า "กราฟีน bilayer บิดเบี้ยวเป็นของขวัญที่มอบให้และการค้นพบฉนวน Chern เศษส่วนนี้ถือเป็นหนึ่งในความก้าวหน้าที่สำคัญที่สุดในสาขานี้ "เป็นเรื่องน่าประหลาดใจที่คิดว่าในที่สุดวัสดุมหัศจรรย์นี้ทำมาจากสิ่งเดียวกันกับปลายดินสอของคุณ"

Jarillo-Herrero, Cecil และ Ida Green ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์จาก MIT และผู้เขียนอาวุโสของการศึกษากล่าวว่า "การค้นพบฉนวน Chern ที่มีสนามแม่เหล็กต่ำในมุมมายากลบิดเบี้ยว bilayer graphene เปิดบทใหม่ในด้านทอพอโลยีเรื่องควอนตัมทอพอโลยี . "มันให้โอกาสที่สมจริงในการรวมรัฐที่แปลกใหม่เหล่านี้กับความเป็นตัวนำยิ่งยวดซึ่งอาจช่วยให้สามารถสร้างและควบคุม quasiparticles ทอพอโลยีที่แปลกใหม่กว่าที่รู้จักกันในชื่อ anyons"

งานวิจัยนี้ร่วมเขียนโดย Jeong Min Park, Daniel E. Parker, Eslam Khalaf, Patrick Ledwith, Yuan Cao, Seung Hwan Lee, Shaowen Chen, Patrick R. Forrester, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi

ได้รับการสนับสนุนบางส่วนโดยกระทรวงพลังงานสหรัฐ สำนักงานวิทยาศาสตร์พลังงานขั้นพื้นฐาน แผนกวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ ภายใต้รางวัล DE-SC0001819 มูลนิธิกอร์ดอนและเบตตี มัวร์ มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ และมูลนิธิไซมอนส์

 


ผู้ตั้งกระทู้ Rimuru Tempest :: วันที่ลงประกาศ 2021-12-18 17:21:11


แสดงความคิดเห็น
ความคิดเห็น *
ผู้แสดงความคิดเห็น  *
อีเมล 
ไม่ต้องการให้แสดงอีเมล