با استفاده از پرتوهای ایکس (رنگ سبز در تصویر)، پژوهشگران اثرات شبه سینمایی سه بعدی را روی فلز کاگومه TbV₆Sn₆ ایجاد کرده اند. به این ترتیب، آنها موفق به ردیابی کردن رفتار الکترونها (آبی و زرد در تصویر) شده اند و یک گام رو به جلو در درک مواد کوانتومی برداشته اند. تصویر از: یورگ باندمان Jorg Bandmann/ct.qmat

یک گروه بین المللی از دانشمندان، به طور تجربی موفق به تایید مشخصه ای از مواد توپولوژیک شده اند.

دانشمندانی از سراسر جهان یک مشخصه منحصر به فرد از مواد توپولوژیک را به طور تجربی تایید کرده اند. با استفاده از فناوری شبه "عینک های سه بعدی" و شتابدهنده های ذره، آنها به طور موفقیت آمیزی رابطه بین توپولوژی الکترون و ویژگیهای مکانیکی کوانتومی آن را نمایان کردند که یک گام رو به جلو قابل توجه در درک این مواد آینده-محور است.

مواد کوانتومی توپولوژیک به عنوان روزنه امیدی برای الکترونیک با قابلیت صرفه جویی در انرژی و تکنولوژی پیشرفته آینده در نظر گرفته می شوند. یک ویژگی مشخصه این مواد، توانایی آنها برای انتقال الکترونهای قطبیده اسپینی به روی سطح آنها است در حالیکه درونشان نارسانا باقی می ماند. برای شفاف تر کردن این موضوع میتوان گفت: در الکترونهای قطبیده اسپینی، تکانه زاویه ای ذاتی یعنی جهت چرخش ذره ها (اسپین)، کاملا به طور تصادفی همسو نشده است.

برای متمایز کردن مواد توپولوژیک از انواع معمولی، دانشمندان قبلا جریانهای سطحی آنها را مطالعه می کردند. اما توپولوژی الکترون به شدت به ویژگیهای موجیِ مکانیک کوانتومی آن و اسپینش مرتبط است. این رابطه اکنون مستقیما به وسیله اثر فوتو الکتریک نشان داده شده است – پدیده ای که در آن الکترونها از یک ماده مانند فلز، به کمک نور گسیل می شوند.

نمایان کردن توپولوژی الکترونها با "عینکهای سه بعدی"

پروفسور جیورجیو سانگیووانی Giorgio Sangiovanni، یک عضو موسس ct.qmat در ورزبورگ و یکی از فیزیکدانهای نظری در پروژه، این دستاورد را به استفاده از عینک های سه بعدی به منظور آشکار سازی توپولوژی الکترونها تشبیه کرد. او توضیح می دهد که: "الکترونها و فوتونها از دیدگاه مکانیک کوانتوم می توانند به هر دو صورت موج و ذره توصیف شوند. بنابراین، الکترونها یک اسپین دارند که ما به لطف اثر فوتوالکتریک می توانیم اندازه گیری کنیم."

برای انجام این کار، گروه از نور پرتو ایکس قطبیده دایروی استفاده کرد. ذرات نور دارای یک گشتاور هستند. سانگیووانی با جزئیات شرح می دهد که: "وقتی یک فوتون با یک الکترون برخورد می کند، سیگنال ناشی از ماده کوانتومی بستگی به این دارد که آیا فوتون قطبش راستگرد یا چپگرد دارد. به عبارت دیگر، جهت اسپین الکترون، قدرت نسبی سیگنال بین پرتو های قطبیده ی چپ و راست را تعیین می کند. بنابراین، این آزمایش را می توان مانند عینک های قطبیده در یک سینمای سه بعدی، جایی که پرتوهای نور با جهت متفاوت نیز به کار گرفته میشوند، تصور کرد. "عینک های سه بعدی" ما، توپولوژی الکترونها را آشکار می سازند.

با سرپرستی خوشه ورزبورگ-درسدن از Excellence ct.qmat (Complexity and Topology in Quantum Matter)، این آزمایش نوآورانه به همراه توصیف نظری آن، اولین تلاش موفقیت آمیز در مشخصه یابی مواد کوانتومی از نظر توپولوژیک است. سانگیووانی نقش ضروری یک شتابدهنده ذره در آزمایش را یادآور می شود، با این بیان که: "ما شتابدهنده ذره سینکروترونی را برای تولید این نور پرتو ایکس خاص و ایجاد اثر سینمای سه بعدی نیاز داریم."

ماده کوانتومی، شتابدهنده های ذره و ابر کامپیوترها

رسیدن به این موفقیت تاریخی، یک دوره سه ساله را برای پژوهشگران در بر داشت. نقطه شروع آنها فلز کاگومه TbV₆Sn₆، یک ماده کوانتومی، بود. در این دسته ویژه از مواد، شبکه اتمی ترکیبی از شبکه های مثلثی و لانه زنبوری را در یک ساختار یاد آور از بافت حصیری ژاپنی دارد. فلزات کاگومه نقشی مهم در تحقیق مواد گروه ct.qmat دارند.

دکتر دومنیکو دی سانته Domenico di Sante، سرپرست پروژه و یک فیزیکدان نظری که همچنین عضو همکار مرکز تحقیقاتی مشارکتی ورزبورگ می باشد، می گوید: "پیش از آنکه همکاران تجربی ما بتوانند آزمایش سنکروترون را آغاز کنند، ما نیاز داشتیم نتایج را شبیه سازی کنیم تا اطمینان حاصل کنیم که در مسیر درستی هستیم. در گام اول، مدلهای تئوری را طراحی کردیم و محاسبات را در یک ابر کامپیوتر اجرا کردیم." یافته های به دست آمده از اندازه گیری های که کاملا هم تراز شده با پیش بینی های نظری باشد، گروه را قادر می سازد تا توپولوژی فلزات کاگومه را نمایان و تایید کند.

همکاری بین المللی

در این پروژه تحقیقاتی دانشمندانی از ایتالیا (بلونیا، میلان، تریست، ونیز)، انگلستان (سنت اندروز)، ایالات متحده امریکا (بوستون، سانتا باربارا) و ورزبورگ مشارکت داشتند. ابر کامپیوتر مورد استفاده در شبیه سازیها در مونیخ است و آزمایشهای سنکروترونی در تریست انجام شده اند. پروفسور سانگیووانی این گونه نتیجه گیری می کند: "این یافته های تحقیقاتی به خوبی نتایج قابل توجهی که از به کارگیری همزمان فیزیک نظری و تجربی تولید می شود را نشان می دهند."

منبع:

The Quantum Odyssey: Visualizing Topological Materials With “3D Glasses”

ترجمه خبر: بهناز ساربانها