비소 표면에서 발견된 전례 없는 양자 하이브리드 상태: ScienceAlert

물리학자들은 비소 결정 표면에 숨어 있는 누구도 예상하지 못했던 것을 발견했습니다.

연구팀은 공학 수학과 결합된 입자의 파동 거동인 양자 토폴로지를 연구하는 동안 각각 서로 다른 전류 수단을 설명하는 두 가지 양자 상태의 이상한 하이브리드를 발견했습니다.

“이런 결과는 전혀 예상치 못한 결과였습니다.” 물리학자 M이 말했습니다. 자히드 하산 프린스턴 대학교 출신. “관찰하기 전에는 누구도 이론적으로 예상하지 못했습니다.”

토폴로지는 파동 특성으로만 설명할 수 있는 재료의 동작을 이해하는 데 점점 더 중요해지고 있습니다. 양자 물질. 구부러지거나 변형될 때 효과적으로 변하지 않는(그러나 부서지거나 구멍이 나면 바뀔 수 있는) 구조의 기하학에 대한 우리의 관심을 고려할 때 토폴로지는 다양한 방식으로 재료의 양자 활동에 영향을 미칠 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

비스무트가 존재하기 때문에 이 연구의 대부분은 비스무트 기반 화합물을 포함합니다. 효과적인 토폴로지 절연체 – 외부층이 활동 전도체 역할을 하고, 내부층이 절연체 역할을 하는 물질. 이는 내부의 전자는 움직이지 않지만 표면과 가장자리의 전자는 자유롭게 이동할 수 있음을 의미합니다.

일반적으로 사용되는 반도체재료비소도 가능하다 위상학적 절연체 역할을 합니다.. Hassan과 그의 팀을 포함한 물리학자들은 위상 절연체, 특히 실온에서 작동할 수 있는 절연체에서 새로운 양자 상태를 찾고 있습니다.

비스무트 기반 재료는 많은 아이디어를 제공했지만 고온이 필요하고 합성 및 준비가 복잡합니다. 반면, 비소는 비스무트보다 더 깨끗한 형태로 재배할 수 있고 준비하기도 더 쉽습니다. 그래서 연구자들은 결정을 성장시켰습니다. 회색비소금속 외관을 가지며 자기장을 적용합니다.

그런 다음 그들은 아원자 규모의 이미지를 생성하는 주사 터널링 현미경(STM)과 전자의 에너지 상태를 측정하는 광학 방출 분광법을 사용하여 샘플을 검사했습니다.

그들은 발견했다 표면 상태 – 일부 유형의 토폴로지 절연체의 “간격이 없는” 표면을 따라 흐르는 전자 상태 – 이는 양호하고 정상입니다. 그러나 누구도 그들이 발견한 것을 기대하지 않았습니다. 엣지 케이스 그것들은 완전히 다른 유형의 위상적 절연체의 경계에 존재하며 이전에는 표면 상태와 나란히 볼 수 없었습니다.

“우리는 놀랐다” 물리학자 무하마드 샤파야트 후세인(Muhammad Shafayat Hussein)은 이렇게 말했습니다. 프린스턴 대학교 출신. “회색 비소는 표면 상태만 가지고 있어야 했습니다. 그러나 원자 단계의 가장자리를 조사한 결과 아름다운 전도성 가장자리 패턴도 발견했습니다.”

그들은 그들이 관찰하고 있는 것이 이전에 누구도 본 적이 없는 혼합 상태라고 결론지을 수 있었습니다.

“일반적으로 우리는 재료의 벌크 밴드 구조를 각각 특정 유형의 경계 상태와 관련된 여러 가지 별개의 토폴로지 클래스 중 하나로 간주합니다.” 물리학자 David Hsieh는 말합니다. 연구에 참여하지 않은 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 자료입니다.

“이 연구는 일부 재료가 동시에 두 가지 클래스로 분류될 수 있음을 보여줍니다. 더욱 흥미로운 점은 이 두 토폴로지에서 나오는 경계 상태가 상호 작용하여 부품의 중첩 이상의 새로운 양자 상태로 재구성될 수 있다는 것입니다.”

이 발견은 새로운 유형의 양자 물질의 문을 열 수 있으며, 이는 양자 물리학 연구는 물론 양자 컴퓨팅과 같은 기술을 발전시킬 수 있습니다.

“우리는 고유한 토폴로지를 가진 비소가 현재 기존 플랫폼을 통해 접근할 수 없는 새로운 토폴로지 재료 및 양자 장치 개발을 위한 유사한 수준의 새로운 플랫폼 역할을 할 수 있다고 생각합니다.” 하산 라고.

“재료 과학과 새로운 물리학 분야의 흥미롭고 새로운 개척지가 여러분을 기다리고 있습니다!”

이 연구는 자연.