Keadaan hibrid kuantum yang belum pernah terjadi sebelumnya ditemukan di permukaan arsenik: ScienceAlert

Fisikawan baru saja menemukan sesuatu yang tidak diduga oleh siapa pun, bersembunyi di permukaan kristal arsenik.

Saat mempelajari topologi kuantum – perilaku gelombang partikel yang dikombinasikan dengan matematika teknik – tim menemukan gabungan aneh dari dua keadaan kuantum, masing-masing menggambarkan cara arus yang berbeda.

“Hasil ini benar-benar tidak terduga.” Kata fisikawan M. Zahid Hasan Dari Universitas Princeton. “Tidak ada yang mengharapkannya secara teoritis sebelum mengamatinya.”

Topologi menjadi semakin penting dalam memahami perilaku material yang hanya dapat dijelaskan melalui sifat seperti gelombangnya, yang dikenal sebagai Materi kuantum. Mengingat ketertarikan kita pada geometri struktur yang tidak berubah secara efektif ketika dibengkokkan atau diubah bentuknya (tetapi dapat berubah jika rusak atau tertusuk), topologi mempunyai potensi untuk mempengaruhi aktivitas kuantum material dalam berbagai cara.

Sebagian besar penelitian ini melibatkan senyawa dengan basa bismut, karena terdapat bismut Isolator topologi yang efektif – Zat yang lapisan luarnya berfungsi sebagai penghantar aktivitas, dan lapisan dalamnya berfungsi sebagai isolator. Artinya elektron di dalamnya tidak bergerak, namun elektron di permukaan dan tepinya dapat bergerak bebas.

Biasa digunakan di Bahan semikonduktorArsenik juga bisa Ini bertindak sebagai isolator topologi. Fisikawan, termasuk Hassan dan timnya, telah mencari keadaan kuantum baru pada isolator topologi, terutama yang dapat beroperasi pada suhu kamar.

Bahan berbasis bismut telah memberikan banyak ide, namun memerlukan suhu tinggi dan sintesis serta persiapannya rumit. Sebaliknya, arsenik dapat ditanam dalam bentuk yang lebih bersih dibandingkan bismut, dan lebih mudah disiapkan. Jadi para peneliti menumbuhkan kristal Arsenik abu-abuyang memiliki tampilan logam, dan menerapkan medan magnet.

Selanjutnya, mereka memeriksa sampel menggunakan scanning tunneling microscopy (STM), yang menghasilkan gambar pada skala subatom, dan spektroskopi emisi optik, yang mengukur keadaan energi elektron.

mereka menemukan Keadaan permukaan – Keadaan elektron yang mengalir di sepanjang permukaan “bebas celah” dari beberapa jenis isolator topologi – yang baik dan normal. Tapi tidak ada yang menyangka apa yang mereka temukan juga – Kasus tepi Mereka berada pada batas jenis isolator topologi yang benar-benar berbeda, dan belum pernah terlihat di samping keadaan permukaan.

“Kami terkejut,” Kata fisikawan Muhammad Shafayat Hussein Dari Universitas Princeton. “Arsenik abu-abu seharusnya hanya memiliki keadaan permukaan. Namun ketika kami memeriksa tepi langkah atom, kami juga menemukan pola tepi konduktif yang indah.”

Mereka hanya dapat menyimpulkan bahwa apa yang mereka amati adalah keadaan hibrida yang belum pernah dilihat oleh siapa pun sebelumnya.

“Biasanya, kami menganggap struktur pita sebagian besar suatu material termasuk dalam salah satu dari beberapa kelas topologi yang berbeda, masing-masing terkait dengan jenis keadaan batas tertentu,” kata fisikawan David Hsieh dari California Institute of Technology, yang tidak terlibat dalam penelitian ini.

“Pekerjaan ini menunjukkan bahwa beberapa material dapat dibagi menjadi dua kelas secara bersamaan. Yang lebih menarik lagi adalah bahwa keadaan batas yang muncul dari kedua topologi ini dapat berinteraksi dan membangun kembali menjadi keadaan kuantum baru yang lebih dari sekedar superposisi bagian-bagiannya.”

Penemuan ini dapat membuka pintu bagi material kuantum jenis baru, yang pada gilirannya dapat memajukan penelitian fisika kuantum, serta teknologi seperti komputasi kuantum.

“Kami membayangkan arsenik, dengan topologinya yang unik, dapat berfungsi sebagai platform baru pada tingkat yang sama untuk pengembangan material topologi dan perangkat kuantum baru yang saat ini tidak dapat diakses melalui platform yang ada.” kata Hassan.

“Ada batas-batas baru yang menarik dalam ilmu material dan fisika baru yang menanti Anda!”

Penelitian ini dipublikasikan di alam.