کشف منشأ سیگنال «ضربان پنهان» در مواد کوانتومی

دانشمندان برای اولین بار، منشأ سیگنال «ضربان پنهان در مواد کوانتومی را شناسایی کردند که راه را برای تفسیر بهتر سیگنال‌های دستگاه‌های کوانتومی توپولوژیکی و دستیابی به حالت‌های الکترونیکی مطلوب آنها هموار می‌کند.

به گزارش سیناپرس، محققان موسسه تحقیقات استاندارد و علوم کره(KRISS) و موسسه علوم و فناوری گوانگژو(GIST) معمای چند ساله در مورد منشأ سیگنال «ضربان» در نانوسیم‌های عایق توپولوژیکی(TI) را حل کرده‌اند. این کشف راه را برای تفسیر بهتر سیگنال‌های دستگاه‌های کوانتومی توپولوژیکی و دستیابی به حالت‌های الکترونیکی مطلوب آنها هموار می‌کند.

فناوری‌های کوانتومی نوظهور مانند رایانش و حسگرهای کوانتومی، نویدبخش عصر جدیدی از دستگاه‌هایی با قابلیت‌هایی هستند که باور واقعی بودن آنها دشوار است. رایانه‌های کوانتومی می‌توانند سریع‌ترین ابررایانه‌های روز را تنها در چند ثانیه شکست دهند، در حالی که حسگرهای پیشرفته می‌توانند تغییرات در میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی را حتی در مقیاس نانو اندازه‌گیری کنند.

با وجود تمام مزایای آنها، فناوری‌های کوانتومی بسیار حساس هستند و این دستگاه‌ها می‌توانند با کوچکترین تغییرات دما یا نویز محیطی از کار بیفتند. دستگاه‌های توپولوژیکی از خواص ریاضی توپولوژی برای محافظت از اطلاعات کوانتومی و اطمینان از اینکه داده‌ها برای مدت طولانی‌تری منسجم و در برابر نویز خارجی مقاوم باقی می‌مانند، استفاده می‌کنند.

سیگنال ضربانی در عایق‌های توپولوژیکی

عایق‌های توپولوژیکی(TI) موادی هستند که در داخل خود عایق هستند، اما می‌توانند الکترون‌ها را در لبه‌ها یا سطوح بیرونی خود از طریق حالت‌های الکترونیکی ویژه هدایت کنند. دانشمندان از این مواد برای ساخت نانوسیم‌هایی استفاده می‌کنند که در آنها الکترون‌ها در امتداد محیط حرکت می‌کنند.

هنگامی که یک میدان مغناطیسی به این سیم‌ها اعمال می‌شود، امواج الکترونی که از مسیرهای مختلف عبور می‌کنند، تداخل می‌کنند و نوسانات آهارونوف-بوم(AB) ایجاد می‌کنند. در اینجا، رسانایی ماده بسته به شدت میدان مغناطیسی در فواصل منظم تغییر می‌کند.

هنگامی که یک TI آلاییده می‌شود، می‌تواند یک لایه نازک در زیر سطح خود ایجاد کند که الکترون‌ها می‌توانند در آن جریان یابند. با این حال، اینکه آیا این لایه در نوسانات AB شرکت می‌کند یا خیر، به خوبی شناخته نشده بود.

محققان هنگام کار با نانوسیم‌های بیسموت سلنید(Bi₂Se₃) آلاییده با آنتیموان(Sb)، یک سیگنال «ضربان» یافتند که در آن نوساناتی با دوره‌ها و شدت‌های سیگنال کمی متفاوت مشاهده شد و وجود نوسان دیگری را تأیید کرد.

چه چیزی باعث ایجاد سیگنال ضربان می‌شود؟

محققان داده‌های رسانایی الکتریکی حاصل از تحقیقات سال‌های گذشته با TI را تجزیه و تحلیل کردند و تأیید کردند که این سیگنال ضربان از ابتدا وجود داشته است. این تیم این را به نوسانات ناشی از «حالت سطح توپولوژیکی»(TSS)، حالت الکترونیکی روی سطح TI و «گاز الکترونی دوبعدی»(2DEG)، جایی که الکترون‌ها در زیر سطح جمع می‌شوند و حرکت می‌کنند، نسبت دادند.

الکترون‌هایی که از دو مسیر عبور می‌کنند، از حالت‌های رسانایی و از سطوح مقطع کمی متفاوت نانوسیم عبور می‌کنند و باعث نوسانات خود در دوره‌های مختلف می‌شوند و در نتیجه الگوی ضربان را ایجاد می‌کنند. اگرچه این امر ساده به نظر می‌رسد، اما تشخیص این اجزای نوسان با استفاده از تحلیل فرکانس معمولی دشوار بود.

بنابراین، تیم تحقیقاتی با کمک سونگ تائگون(Song Taegeun)، استاد دانشگاه ملی کونگژو و با استفاده از یادگیری ماشینی، اجزای نوسان را حتی زمانی که الگوهای ضربان با ولتاژ گیت تغییر می‌کردند، متمایز کردند.

بائه میونگ-هو(Bae Myung-Ho)، دانشمند ارشد تحقیقات در گروه دستگاه‌های کوانتومی در KRISS در یک بیانیه مطبوعاتی گفت: این دستاورد نشان می‌دهد که الکترون‌ها می‌توانند با حرکت، نه تنها از طریق حالت‌های توپولوژیکی، بلکه از طریق حالت‌های الکترونیکی معمولی نیز دچار تداخل کوانتومی شوند.

وی افزود: برای استفاده از حالت توپولوژیکی مورد نظر، کنترل دقیق آلایش و گیت بسیار مهم است تا حالت رسانش معمولی تداخل ایجاد نکند.

به نقل از ایسنا، چوی سانگ-جون(Choi Sang-Jun)، استاد گروه فیزیک و علوم فوتون در GIST نتیجه گرفت: اصل درک و کنترل تداخل بین حالت‌های مختلف الکترونیکی می‌تواند در طراحی دستگاه‌های کوانتومی توپولوژیکی در آینده نیز اعمال شود.

یافته‌های این پژوهش در مجله Nano Letters منتشر شده است.