سبتمبر 20، 2022
(أخبار Nanowerk) كيف تجد موادًا جديدة ذات خصائص محددة جدًا - على سبيل المثال ، الخصائص الإلكترونية الخاصة اللازمة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية؟ عادة ما تكون هذه مهمة معقدة للغاية: يتم إنشاء مركبات مختلفة ، حيث يتم ترتيب الذرات الواعدة في هياكل بلورية معينة ثم يتم فحص المادة ، على سبيل المثال في مختبر درجات الحرارة المنخفضة في TU Wien. الآن ، نجح التعاون بين جامعة رايس (تكساس) و TU Wien ومؤسسات بحثية دولية أخرى في تعقب المواد المناسبة على الكمبيوتر. يتم استخدام الأساليب النظرية الجديدة لتحديد المرشحين الواعدين بشكل خاص من بين العدد الهائل من المواد الممكنة. ثم أظهرت القياسات في TU Wien أن المواد لديها بالفعل الخصائص المطلوبة ، والطريقة تعمل. هذه خطوة مهمة إلى الأمام للبحث في المواد الكمومية. المادة الجديدة: م2Au3In5. (الصورة: جامعة فيينا للتكنولوجيا) تم نشر النتائج الآن في المجلة فيزياء الطبيعة ("شبه معدنية طوبولوجية مدفوعة بالارتباطات القوية والتماثل البلوري").
شبه المعادن الطوبولوجية
لقد عملت جامعة رايس في تكساس و TU Wien معًا بنجاح كبير في السنوات الأخيرة في البحث عن مواد كمومية جديدة ذات خصائص خاصة جدًا: في عام 2017 ، قدمت مجموعتا البحث أول ما يسمى "Weyl-Kondo semimetal" - مادة يمكن أن تلعب دورًا مهمًا في البحث في تقنيات الكمبيوتر الكمومية. يوضح البروفيسور سيلك بوهلر-باشن من معهد فيزياء الجوامد في جامعة فيينا: "لا يمكن وصف الإلكترونات الموجودة في مثل هذه المواد بشكل فردي". "هناك تفاعلات قوية جدًا بين هذه الإلكترونات ، فهي تتداخل مع كل أخرى كموجات وفقًا لقوانين فيزياء الكم ، وفي نفس الوقت تتنافر بسبب شحنتها الكهربائية." هذا التفاعل القوي على وجه التحديد هو الذي يؤدي إلى إثارة الإلكترونات ، والتي لا يمكن وصفها إلا باستخدام طرق رياضية متقنة للغاية. في المواد التي يتم دراستها الآن ، تلعب الطوبولوجيا أيضًا دورًا مهمًا - فهي فرع من الرياضيات يتعامل مع الخصائص الهندسية التي لا تتغير بالتشوه المستمر ، مثل عدد الثقوب في الدونات ، والتي تظل كما هي حتى لو كانت يتم ضغط الدونات قليلاً. بطريقة مماثلة ، يمكن أن تظل الحالات الإلكترونية في المادة مستقرة حتى إذا كانت المادة مضطربة قليلاً. هذا هو بالضبط السبب في أن هذه الحالات مفيدة جدًا للتطبيقات العملية مثل أجهزة الكمبيوتر الكمومية.
استخدام الكمبيوتر لتحديد المرشحين المحتملين
إن حساب سلوك جميع الإلكترونات شديدة التفاعل في المادة أمر مستحيل - لا يوجد كمبيوتر عملاق في العالم قادر على القيام بذلك. ولكن بناءً على النتائج السابقة ، أصبح من الممكن الآن تطوير مبدأ تصميم يستخدم حسابات نموذجية مبسطة جنبًا إلى جنب مع اعتبارات التناظر الرياضي وقاعدة بيانات للمواد المعروفة لتقديم اقتراحات بشأن أي من هذه المواد قد يكون لها الخصائص الطوبولوجية المتوقعة نظريًا. "قدمت هذه الطريقة ثلاثة من هذه المواد المرشحة ، ثم أنتجنا واحدة من هذه المواد وقمنا بقياسها في مختبرنا في درجات حرارة منخفضة" ، حسب قول سيلك بوهلر-باشن. "وبالفعل ، تشير هذه القياسات الأولى إلى أنه شبه معدني طوبولوجي شديد الترابط - وهو أول ما يتم توقعه على أساس نظري باستخدام الكمبيوتر." كان أحد المفاتيح المهمة للنجاح هو استغلال تناظرات النظام بطريقة ذكية: "ما افترضناه هو أن الإثارات المترابطة بقوة لا تزال تخضع لمتطلبات التناظر. وبسبب ذلك ، يمكنني أن أقول الكثير عن طوبولوجيا النظام دون اللجوء إلى الحسابات الأولية التي غالبًا ما تكون مطلوبة ولكنها تمثل تحديًا خاصًا لدراسة المواد شديدة الارتباط "، كما يقول Qimiao Si من جامعة رايس. "تشير جميع الدلائل إلى أننا وجدنا طريقة قوية لتحديد المواد التي لها الميزات التي نريدها."
