هيوستن - (26 فبراير 2021) - في تطور يليق بالطبيعة الغريبة لميكانيكا الكم ، اكتشف الفيزيائيون تأثير هول - تغيير مميز في طريقة توصيل الكهرباء في وجود مجال مغناطيسي - في مادة كمومية غير مغناطيسية التي لم يتم تطبيق أي مجال مغناطيسي عليها.

تم تفصيل الاكتشاف الذي قام به باحثون من جامعة رايس ، وجامعة فيينا للتكنولوجيا (TU Wien) في النمسا ، ومعهد بول شيرير في سويسرا ، وجامعة ماكماستر الكندية في ورقة بحثية نُشرت في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم. من المثير للاهتمام أصل التأثير ، الذي يرتبط عادةً بالمغناطيسية ، وحجمه الهائل - أكثر من 1,000 مرة أكبر مما قد يلاحظه المرء في أشباه الموصلات البسيطة.

قال المؤلف المشارك في دراسة رايس Qimiao Si ، وهو فيزيائي نظري قام بالتحقيق في المواد الكمومية لما يقرب من ثلاثة عقود ، "إنها حقًا طوبولوجيا تعمل" ، في إشارة إلى أنماط التشابك الكمي التي تؤدي إلى الحالة غير التقليدية.

تم إنشاء المادة ، وهي عبارة عن شبه معدن غريب من السيريوم والبزموت والبلاديوم ، وقياسها في TU Wien بواسطة Silke Bühler-Paschen ، وهو متعاون منذ فترة طويلة مع Si's. في أواخر عام 2017 ، اكتشف Si و Bühler-Paschen وزملاؤه نوعًا جديدًا من المواد الكمومية أطلقوا عليها اسم "Weyl-Kondo semimetal". وضع البحث الأساس للتحقيقات التجريبية ، لكن سي قال إن التجارب كانت صعبة ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أنه لم يكن واضحًا "الكمية المادية التي ستلتقط التأثير".

في أبريل 2018 ، استقبل مكتب Si's Bühler-Paschen وطالب الدراسات العليا في جامعة TU Wien سامي دزسابر ، وهو المؤلف الأول للدراسة ، أثناء حضوره ورشة عمل في مركز رايس للمواد الكمومية (RCQM). عندما رأى سي بيانات Dzsaber ، كان مشكوكًا فيه.

قال: "عند رؤية هذا ، فإن رد فعل الجميع الأول هو أنه غير ممكن".

لفهم السبب ، من المفيد فهم كل من الطبيعة واكتشاف عام 1879 لإدوين هول ، طالب الدكتوراه الذي وجد أن تطبيق مجال مغناطيسي بزاوية 90 درجة لسلك التوصيل ينتج فرق جهد عبر السلك ، في الاتجاه العمودي. لكل من المجال الحالي والمغناطيسي. اكتشف الفيزيائيون في النهاية مصدر تأثير هول: ينحرف المجال المغناطيسي عن حركة الإلكترونات المارة ، ويسحبها نحو جانب واحد من السلك. تأثير Hall هو أداة قياسية في مختبرات الفيزياء ، والأجهزة التي تستخدمه موجودة في منتجات متنوعة مثل محركات الصواريخ وبنادق كرات الطلاء. حصلت الدراسات المتعلقة بالطبيعة الكمية لتأثير هول على جوائز نوبل في عامي 1985 و 1998.

أظهرت بيانات Dzsaber التجريبية بوضوح إشارة Hall المميزة ، على الرغم من عدم تطبيق أي مجال مغناطيسي.

قال سي: "إذا لم تقم بتطبيق مجال مغناطيسي ، فليس من المفترض أن ينحني الإلكترون". "إذن ، كيف يمكنك الحصول على انخفاض الجهد على طول الاتجاه العمودي؟ لهذا السبب لم يصدق الجميع هذا في البداية ".

استبعدت التجارب في معهد بول شيرير وجود مجال مغناطيسي صغير لا يمكن اكتشافه إلا على نطاق مجهري. فظل السؤال: ما الذي تسبب في التأثير؟

قال سي: "في النهاية ، كان علينا جميعًا أن نقبل أن هذا مرتبط بالطوبولوجيا".

في المواد الطوبولوجية ، تنتج أنماط التشابك الكمومي حالات "محمية" ، وخصائص عالمية لا يمكن محوها. إن الطبيعة الثابتة للحالات الطوبولوجية ذات أهمية متزايدة للحوسبة الكمومية. Weyl semimetals ، التي تظهر شبه الجسيمات المعروفة باسم Weyl fermion ، هي مواد طوبولوجية.

كذلك تم اكتشاف أشباه معادن Weyl-Kondo Si و Bühler-Paschen وزملاؤه في عام 2018. وتتميز هذه العناصر بكل من Weyl fermions وتأثير Kondo ، وهو تفاعل بين اللحظات المغناطيسية للإلكترونات المرتبطة بالذرات داخل المعدن ودوران تمرير إلكترونات التوصيل.

"تأثير كوندو هو الشكل الجوهري للارتباطات القوية في المواد الكمومية ،" قال سي في إشارة إلى السلوك المترابط الجماعي للبلايين على مليارات من الجسيمات المتشابكة الكمومية. "إنه يؤهل نصف معدن Weyl-Kondo كواحد من الأمثلة النادرة للحالة الطوبولوجية التي تحركها العلاقات القوية.

قال سي: "الطوبولوجيا هي سمة مميزة لشبه معدن Weyl-Kondo ، واكتشاف تأثير Hall العفوي العملاق هذا هو في الحقيقة أول اكتشاف للطوبولوجيا المرتبط بهذا النوع من Weyl fermion".

قال سي إن التجارب أظهرت أن التأثير نشأ عند درجة الحرارة المميزة المرتبطة بتأثير كوندو ، مما يشير إلى احتمال ارتباط الاثنين.

وقال: "لوحظ هذا النوع من تأثير هول التلقائي أيضًا في التجارب المعاصرة في بعض أشباه الموصلات ذات الطبقات ، لكن تأثيرنا أكبر بأكثر من 1,000 مرة". "لقد تمكنا من إظهار أن التأثير العملاق المرصود ، في الواقع ، طبيعي عندما تتطور الحالة الطوبولوجية من ارتباطات قوية."

قال سي إن الملاحظة الجديدة من المحتمل أن تكون "قمة جبل الجليد" من الاستجابات المتطرفة التي تنتج عن التفاعل بين الارتباطات القوية والطوبولوجيا.

وقال إن حجم تأثير هول الناتج طوبولوجيًا من المرجح أيضًا أن يحفز التحقيقات في الاستخدامات المحتملة لتكنولوجيا الحساب الكمي.

قال سي: "هذا الحجم الكبير ، وطبيعته القوية والكتلة يمثلان احتمالات مثيرة للاهتمام للاستغلال في الأجهزة الكمومية الطوبولوجية".

سي هو أستاذ Harry C. and Olga K. Wiess في قسم رايس للفيزياء والفلك ومدير RCQM. Bühler-Paschen هو أستاذ في معهد TU Wien لفيزياء الحالة الصلبة.

# # #

ومن بين المؤلفين المشاركين في الدراسة سارة جريف وهسين هوا لاي وكلاهما من رايس. شينلين يان ، ماتيو توبين ، جاكو إيجوتشي ، أندري بروكوفييف وبيتر بلاها من TU Wien ؛ توني شيروكا من معهد بول شيرير ؛ وأوليج روبل من جامعة ماكماستر.

تم تمويل البحث من قبل صندوق العلوم النمساوي (P29279-N27 ، P29296-N27 ، W1243) ، برنامج Horizon 2020 للأبحاث والابتكار (EMP-824109) ، المؤسسة الوطنية السويسرية للعلوم (200021-169455) ، National Science التأسيس (1920740 ، 1607611) ، ومؤسسة ويلش (C-1411) ومنحة أولام من مركز الدراسات غير الخطية في مختبر لوس ألاموس الوطني.

يستفيد RCQM من الشراكات العالمية ونقاط القوة لأكثر من 20 مجموعة أبحاث رايس لمعالجة الأسئلة المتعلقة بالمواد الكمومية. يتم دعم RCQM من قبل مكاتب رايس للعميد ونائب رئيس الأبحاث ، وكلية Wiess للعلوم الطبيعية ، وكلية براون للهندسة ، ومعهد Smalley-Curl وأقسام الفيزياء والفلك ، والهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات ، وعلوم المواد والهندسة النانوية.

الروابط والموارد:

DOI لورقة PNAS هو: 10.1073 / pnas.2013386118

نسخة من الورقة متاحة على: https: //دوي.غزاله /101073 /PNAS.2013386118

تتوفر الصور عالية الدقة للتنزيل من:

الشبكي: //شبكة الأخبار.أرز.ايدو /الأخبار /ملفات /2021 /02 /0301_WEYL- ديف- ال جي.JPG

التسمية التوضيحية: صورة لبلورة واحدة من مادة طوبولوجية غير مغنطيسية من السيريوم والبزموت والبلاديوم المعروفة باسم شبه معدن ويل كوندو الذي استخدمه علماء الفيزياء في جامعة فيينا للتكنولوجيا لقياس تأثير هول - تغيير مميز في طريقة توصيل الكهرباء في وجود مجال مغناطيسي - مع عدم وجود مجال مغناطيسي مطبق. (تصوير S. Dzsaber / TU Wien)

الشبكي: //شبكة الأخبار.أرز.ايدو /الأخبار /ملفات /2021 /02 /0301_WEYL-Rgrp-lg.JPG

التسمية التوضيحية: علماء الفيزياء النظرية بجامعة رايس (من اليسار) عمل كل من هسين-هوا لاي وكيمياو سي وسارة جريف مع متعاونين تجريبيين في جامعة فيينا للتكنولوجيا لفهم السمات الطوبولوجية لمعدن ويل كوندو غير المغناطيسي مما سمح له بإنتاج تأثير هول عملاق في عدم وجود مجال مغناطيسي. (تصوير جيف فيتلو / جامعة رايس)

الشبكي: //شبكة الأخبار.أرز.ايدو /الأخبار /ملفات /2021 /02 /0301_WEYL-sdsbp01-lg.JPG

التسمية التوضيحية: الفيزيائيان سامي دزابر وسيلك بوهلر-باشن من جامعة فيينا للتكنولوجيا (تصوير ف.إيجنر / TU Wien)

يمكن العثور على هذا الإصدار على الإنترنت على news.rice.edu.

تابع أخبار رايس والعلاقات الإعلامية عبر TwitterRiceUNews.

تقع جامعة رايس في حرم غابات تبلغ مساحته 300 فدان في هيوستن ، وقد تم تصنيفها باستمرار بين أفضل 20 جامعة في البلاد من قبل US News & World Report. رايس لديها كليات محترمة للغاية في الهندسة المعمارية والأعمال والدراسات المستمرة والهندسة والعلوم الإنسانية والموسيقى والعلوم الطبيعية والعلوم الاجتماعية وهي موطن لمعهد بيكر للسياسة العامة. مع 3,978 طالبًا جامعيًا و 3,192 طالب دراسات عليا ، فإن نسبة الطلاب الجامعيين إلى أعضاء هيئة التدريس في رايس أقل بقليل من 6 إلى 1. يبني نظام الكلية السكنية مجتمعات متماسكة وصداقات مدى الحياة ، وهذا سبب واحد فقط يجعل رايس تحتل المرتبة الأولى في الكثير من التفاعل بين العرق والفئة والمرتبة الرابعة لجودة الحياة من قبل برينستون ريفيو. تم تصنيف رايس أيضًا كأفضل قيمة بين الجامعات الخاصة من قبل التمويل الشخصي من Kiplinger.