[ad_1]
Międzynarodowy zespół badawczy kierowany przez Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) wykonał pierwsze zdjęcia w rozdzielczości atomowej i zademonstrował elektryczną kontrolę chiralnego stanu interfejsu – egzotycznego zjawiska kwantowego, które może pomóc naukowcom w rozwoju obliczeń kwantowych i energooszczędnej elektroniki.
Chiralny stan interfejsu to przewodzący kanał, który pozwala elektronom podróżować tylko w jednym kierunku, zapobiegając ich rozpraszaniu do tyłu i powodując marnujący energię opór elektryczny. Naukowcy pracują nad lepszym zrozumieniem właściwości chiralnych stanów interfejsu w rzeczywistych materiałach, ale wizualizacja ich charakterystyki przestrzennej okazała się wyjątkowo trudna.
Ale teraz, po raz pierwszy, obrazy w rozdzielczości atomowej uchwycone przez zespół badawczy z Berkeley Lab i UC Berkeley bezpośrednio zwizualizowały chiralny stan interfejsu. Naukowcy zademonstrowali również tworzenie na żądanie tych bezoporowych kanałów przewodzących w izolatorze 2D.
Ich praca, która została opisana w czasopiśmie Nature Physics, jest częścią szerszego dążenia Berkeley Lab do rozwoju obliczeń kwantowych i innych zastosowań kwantowego systemu informacyjnego, w tym projektowania i syntezy materiałów kwantowych w celu zaspokojenia pilnych potrzeb technologicznych.
„Wcześniejsze eksperymenty wykazały istnienie chiralnych stanów interfejsu, ale nikt nigdy nie wizualizował ich z tak wysoką rozdzielczością. Nasza praca po raz pierwszy pokazuje, jak wyglądają te stany 1D w skali atomowej, w tym jak możemy je zmieniać – a nawet tworzyć” – powiedział pierwszy autor, Canxun Zhang, były doktorant w Berkeley Lab’s Materials Sciences Division i na Wydziale Fizyki UC Berkeley. Obecnie jest badaczem podoktoranckim na UC Santa Barbara.
Chiralne stany interfejsu mogą występować w niektórych rodzajach materiałów 2D znanych jako kwantowe anomalne izolatory Halla (QAH), które są izolatorami w masie, ale przewodzą elektrony bez oporu na jednowymiarowych „krawędziach” – fizycznych granicach materiału i interfejsach z innymi materiałami.
Aby przygotować chiralne stany interfejsu, zespół pracował w Berkeley Lab’s Molecular Foundry nad wytworzeniem urządzenia o nazwie twisted monolayer-bilayer graphene, które jest stosem dwóch atomowo cienkich warstw grafenu precyzyjnie obróconych względem siebie, tworząc supersieć moiré, która wykazuje efekt QAH.
W kolejnych eksperymentach na Wydziale Fizyki UC Berkeley naukowcy wykorzystali skaningowy mikroskop tunelowy (STM) do wykrywania różnych stanów elektronowych w próbce, co pozwoliło im na wizualizację funkcji falowej stanu interfejsu chiralnego. Inne eksperymenty wykazały, że chiralny stan interfejsu można przesuwać po próbce, modulując napięcie na elektrodzie bramkowej umieszczonej pod warstwami grafenu. W końcowej demonstracji kontroli naukowcy wykazali, że impuls napięcia z końcówki sondy STM może „zapisać” chiralny stan interfejsu w próbce, wymazać go, a nawet przepisać nowy, w którym elektrony przepływają w przeciwnym kierunku.
Odkrycia te mogą pomóc naukowcom w budowaniu przestrajalnych sieci kanałów elektronowych, które w przyszłości mogą znaleźć zastosowanie w energooszczędnej mikroelektronice i magnetycznych urządzeniach pamięciowych o niskim poborze mocy, a także w obliczeniach kwantowych wykorzystujących egzotyczne zachowania elektronów w izolatorach QAH.
Naukowcy zamierzają wykorzystać swoją technikę do badania bardziej egzotycznej fizyki w powiązanych materiałach, takich jak anyony, nowy rodzaj kwazicząstek, który może umożliwić drogę do obliczeń kwantowych.
„Nasze wyniki dostarczają informacji, które wcześniej nie były możliwe. Przed nami jeszcze długa droga, ale to dobry pierwszy krok” – powiedział Zhang.
Pracami kierował Michael Crommie, starszy naukowiec w Berkeley Lab’s Materials Sciences Division i profesor fizyki na UC Berkeley.
Tiancong Zhu, były badacz podoktorancki w grupie Crommie w Berkeley Lab i UC Berkeley, był współautorem pracy, a obecnie jest profesorem fizyki na Uniwersytecie Purdue.
Molecular Foundry jest ośrodkiem użytkownika DOE Office of Science w Berkeley Lab.
Prace te były wspierane przez DOE Office of Science. Dodatkowe fundusze zostały zapewnione przez National Science Foundation.
[ad_2]