Квантов пробив може да доведе до устойчива хирална спинтроника

Ваня Милева Последна промяна на 15 януари 2025 в 00:00 4789 0

Изображение на накланянето на релативистичните Диракови конуси в обемните електронни ленти на квазидвуизмерен (2D) магнитен топологичен полуметал, постигнато с вмъкване на водород, който генерира настройваеми хирални зарядни токове с ниско разсейване.

Кредит Lab Krusin

Изображение на накланянето на релативистичните Диракови конуси в обемните електронни ленти на квазидвуизмерен (2D) магнитен топологичен полуметал, постигнато с вмъкване на водород, който генерира настройваеми хирални зарядни токове с ниско разсейване.

Екип физици разработи нова техника, която използва водородни катиони (H+) за манипулиране на релативистични електронни лентови структури в магнитен полуметал на Вайл - топологичен материал, в който електроните имитират безмасови частици, наречени фермиони на Вайл. Тези частици се отличават със своята хиралност, свързана с техния спин и импулс.

Съществуването на огледални версии на молекулите се нарича хиралност. Молекулите на аминокиселини и захари могат да се сгъват в две огледално-симетрични структури - огледални една на друга като лявата и дясната ни ръка и няма разлика между тях в химичните им свойства.

Изследователите, ръководени от Лиа Крусин-Елбаум (Lia Krusin-Elbaum) от Градския колеж в Ню Йорк (The City College of New York), разкриват удивителната способност на магнитния материал MnSb₂Te₄ да „настройва“ и засилва хиралността на електронния транспорт чрез въвеждане на водородни йони, като при поискване променя енергийния ландшафт, наречен възли на Вайл, в материала. Това откритие би могло да открие широк спектър от нови платформи за квантови устройства за използване на възникващи топологични състояния за нова хирална наноспинтроника и устойчиви на грешки квантови изчисления. Изследването е озаглавено „Транспортна хиралност, генерирана от регулируем наклон на възлите на Вайл в топологичен магнит на Ван дер Ваалс“ и е публикувано в списание Nature Communications.

Фермиони на Вайл

Преди близо век Херман Клаус Хуго Вайл (Hermann Klaus Hugo Weyl), немски математик и физик-теоретик, докато водели дискусия за фермионите с колегата си от Висшата техническа школа в Цюрих Алберт Айнщайн, Вайл изказва хипотезата за съществуването на безмасови фермиони с доста фантастични свойства. 

И така Херман Вайл през 1929 г. предлага за първи път съществуването на мистериозни частици без маса, които ще имат спин, но също ще имат "хиралност", което означава, че ще пътешестват през пространството или в ляво или в дясно ориентиран вариант. Когато ляв и десен фермион на Вайл се срещнат, те се анихилират един с друг, както се случва, когато се срещне частица и античастица.

Съгласно Стандартния модел, господстващ модел, описващ елементарните частици, съществуват два основни типа частици: бозони и фермиони. Бозоните са носители на взаимодействията, а фермиони изграждат материята. Последните са елементарни частици с полуцял спин (½, 1½,...), например фермиони са електронът, кварките, които пък в тройки образуват частиците на ядрото на атома - неутроните и протоните.

Фермионите са три вида:

  • фермиони на Дирак (с маса),
  • фермиони на Майорана (всяка частица е античастица на самата себе си),
  • фермиони на Вайл (безмасови).

Учените имат доказателства от ускорителите на частици за съществуването на първите две, но досега - ни намек за последните.

Уравнението на Дирак описва масивни фермиони, които се движат със скорости, близки до скоростта на светлината, а частиците на Вайл възникват като решение за случай на безмасови частици. Изходното уравнение при това се разпада на две, всяко от които се нарича уравнение на Вайл и описва безмасови фермиони с противоположни спиралности.

Докато не бе със сигурност установено от експериментите, че частиците неутриното имат ненулевата маса, последните са смятани за фермиони на Вайл. Сега се смятат за един от двата други вида фермиони - майоранови или диракови, но кои точно все още не е ясно.

Настройката на възлите на Вайл с H+ изчиства безпорядъка на връзките в системата (Mn-Te) и намалява вътрешно възловото разсейване. При този процес - който екипът на Градския колеж тества в лабораторията на Крузин с помощта на ъглов електропренос - електрическите заряди се движат по различен начин, когато вътрешно-плоскостното магнитно поле се върти по посока на часовниковата стрелка или обратно, генерирайки желаните токове с ниско разсейване. Преобразуваните състояния на Вайл се характеризират с удвоена температура на Кюри и силна хиралност на ъгловия транспорт, синхронизирана с рядко полево-антисиметрично надлъжно съпротивление - нискополеви настройваем „хирален превключвател“, който се корени във взаимодействието на топологичната кривина на Бери, хиралната аномалия и водородно опосредстваната форма на възлите на Вайл.

„Основното постижение на тази работа е разширяването на обхвата на дизайнерските топологични квантови материали отвъд природния проект. Настройваемите топологични лентови структури, улеснени от водород или други леки елементи чрез свързани с дефекти пътища, разширяват наличието на достъпни платформи за изследване и използване на топологични фази със зашеметяващо макроскопично поведение, като отварят пътя към потенциално разрушителни реализации на базата на хиралност в бъдещи квантови устройства“, заявява Крусин-Елбаум, професор в Департамента по наука на Градския колеж в Ню Йорк.

Изследванията в лабораторията на Крусин са насочени към проучване на нови квантови явления като квантовия аномален ефект на Хол (QAH), който описва изолатор, който провежда ток без разсейване в дискретни канали на повърхността си, 2D свръхпроводимост и явления в състояние на аксион, характеризиращи се с квантуван топлинен транспорт, като всички те имат потенциал, ако бъдат индустриализирани, да развият енергийно ефективни технологии. Крусин-Елбаум и нейният екип заявяват, че демонстрираната от тях техника е много обща и в крайна сметка може да развие потенциала на вътрешните топологични магнити за трансформиране на бъдещата квантова електроника.

Ефект на Хол

Класическият ефект на Хол се състои в появата в проводник с ток I, поставен в магнитно поле B, на електрическо поле E в посока, перпендикулярна на I и B.

За разлика от класическия, квантовият ефект на Хол се наблюдава в проводници, чиято дебелина d е изключително малка и сравнима с междуатомното разстояние. В такива проводници, наречени двумерни електронни системи, постъпателното движение на електрона по оста z е невъзможно и следователно движението на електрона е двумерно в равнината (x, y). Типичен пример за двумерна електронна система, в която се наблюдава квантовият ефект на Хол, е структура метал–изолатор–полупроводник, образувана от слоеве метал и полупроводник, разделени от слой диелектрик.

Дробният квантов ефект на Хол (FQHE) е физичен феномен, при който проводимостта на Хол на двумерни (2D) електрони показва прецизно квантувани плата при дробни стойности на e²/h, където e е зарядът на електрона, а h е константата на Планк. Това е свойство на колективно състояние, в което електроните свързват линиите на магнитния поток, за да направят нови квазичастици, а възбужданията имат дробен елементарен заряд и вероятно също дробна статистика.

Дробно заредените квазичастици (1\3, 2\5, 3\7...) не са нито бозони, нито фермиони. Определени дробни квантови фази на Хол изглежда имат подходящи свойства за изграждане на топологичен квантов компютър.

Нобеловата награда за физика за 1998 г. бе присъдена на Робърт Лафлин, Хорст Стьормер и Даниел Цуи "за откритието им на нова форма на квантова течност с дробно заредени възбуждания". FQHE е основна изследователска тема във физиката на кондензираната материя.

Справка: Afrin N. Tamanna et al, Transport chirality generated by a tunable tilt of Weyl nodes in a van der Waals topological magnet, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-53319-w

Източник: Quantum breakthrough may lead to sustainable chiral spintronics, Jay Mwamba, City College of New York

    Най-важното
    Всички новини
    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !