Странный материал демонстрирует экзотическое квантовое состояние при комнатной температуре

Многие квантовые эффекты могут быть получены только при очень низких температурах, что ограничивает их полезность в реальных условиях. Теперь физики продемонстрировали странное квантовое состояние, происходящее в материале при комнатной температуре.

Топологический изолятор — это материал со структурой, которая уникальным образом проводит электроны. Основная часть материала является изолятором, полностью предотвращающим поток электронов через него.

Однако тонкие слои на его поверхности и по краям обладают высокой проводимостью, что позволяет электронам свободно течь с высокой эффективностью. Учитывая эти странные свойства, топологические изоляторы могут содержать некоторые интересные квантовые состояния, которые могут быть полезны для создания будущих квантовых технологий.

Но тут есть одна загвоздка: большинство квантовых состояний чрезвычайно хрупки и легко разрушаются. Тепло или тепловой шум является основным триггером: когда материалы нагреваются, атомы в них вибрируют с более высокими энергиями, что нарушает квантовое состояние.

Таким образом, большинство экспериментов и технологий, использующих квантовые эффекты, необходимо проводить при температурах, близких к абсолютному нулю, когда движение атомов резко замедляется. Но это, в свою очередь, делает эти технологии непрактичными для широкого использования.

В новом исследовании ученые из Принстона нашли способ обойти это, наблюдая квантовые эффекты в топологическом изоляторе при комнатной температуре. Их предпочтительным материалом было неорганическое кристаллическое соединение, известное как бромид висмута.

Было обнаружено, что этот материал имеет правильную ширину запрещенной зоны, изолирующий «барьер», в котором электроны не могут существовать с определенными энергетическими уровнями.

Такая запрещенная зона должна быть достаточно широкой, чтобы защитить от теплового шума, но не настолько широкой, чтобы нарушать эффект спин-орбитальной связи электронов, который жизненно важен для поддержания их стабильности. Было обнаружено, что ширина запрещенной зоны бромида висмута составляет более 200 миллиэлектронвольт, что является «золотой серединой» для поддержания стабильного квантового состояния при комнатной температуре.

Ученые подтвердили свое открытие, наблюдая так называемый квантовый спиновый эффект Холла — свойство, уникальное для этих топологических систем. Исследователи говорят, что этот прорыв будет полезен для развития квантовых технологий, таких как спинтроника, новой области, которая кодирует данные в спинах электронов с более высокой эффективностью, чем современная электроника.

«Просто потрясающе, что мы нашли их без гигантского давления или сверхвысокого магнитного поля, что сделает материалы более доступными для разработки квантовых технологий следующего поколения», — сказала Нана Шумия, соавтор исследования. «Я считаю, что наше открытие значительно раздвинет квантовые границы».

Исследование было опубликовано в журнале Nature Materials.