محققان فلز کوانتومی جدیدی برای ارتقای تکنولوژی حسگر در تشخیص‌های پزشکی کشف کردند
مطالعه‌ای جدید به رهبری کیمیائو سی از دانشگاه رایس یک نوع فلز کوانتومی بحرانی جدید را آشکار کرده و به تعاملات پیچیده الکترون‌ها در مواد کوانتومی پرداخته است.
این تحقیق که در تاریخ ۶ سپتامبر در نسخه نامه‌های بازبینی فیزیکی منتشر شده، اثرات کوپلینگ کاندو و مایعات اسپین چیرال در ساختارهای ویژه شبکه‌ای را بررسی می‌کند.
«دانش کسب شده از این کشف می‌تواند به توسعه دستگاه‌های الکترونیکی با حساسیت بالا منجر شود، که توسط خواص منحصر به فرد سیستم‌های بحرانی کوانتومی هدایت می‌شوند،» سی، مدیر اتحاد مواد کوانتومی افراطی رایس، گفت.
رفتارهای پیچیده
در مرکز این پژوهش، مفهوم انتقال فاز کوانتومی قرار دارد.
همانطور که آب بین حالت‌های جامد، مایع و گاز تغییر می‌کند، الکترون‌ها در مواد کوانتومی نیز می‌توانند با تغییر محیط خود بین حالات مختلف تغییر کنند.
اما برخلاف آب، این الکترون‌ها از قوانین مکانیک کوانتومی پیروی می‌کنند که منجر به رفتارهای بسیار پیچیده‌تری می‌شود.
مکانیک کوانتومی دو اثر کلیدی را معرفی می‌کند: نوسانات کوانتومی و توپولوژی الکترونیکی.
حتی در دمای صفر مطلق، جایی که نوسانات حرارتی از بین می‌روند، نوسانات کوانتومی همچنان می‌توانند باعث تغییر در سازماندهی الکترون‌ها شوند که منجر به انتقال فاز کوانتومی می‌شود. این انتقال‌ها اغلب منجر به خواص فیزیکی شدیدا معروف به بحرانیات کوانتومی می‌شوند.
علاوه بر این، مکانیک کوانتومی به الکترون‌ها خاصیتی منحصر به فرد مرتبط با توپولوژی می‌دهد، یک مفهوم ریاضی که می‌تواند رفتارهای غیرعادی و بالقوه مفید تولید کند هنگامی که به حالات الکترونیکی اعمال می‌شود.
گروه سی این مطالعه را در همکاری بلند مدت با سیلکه پاشن، یکی از نویسندگان مطالعه و استاد فیزیک در دانشگاه فنی وین، و تیم تحقیقاتی او انجام دادند. آنها با هم یک مدل تئوری برای بررسی این اثرات کوانتومی توسعه دادند.
ترتیب بیشتر سیال
محققان دو نوع الکترون را در نظر گرفتند: برخی به آرامی حرکت می‌کردند، مانند اتومبیل‌های گیر کرده در ترافیک، و برخی دیگر به سرعت در یک خط سریع حرکت می‌کردند.
اگرچه الکترون‌های کم حرکت به نظر ثابت می‌آیند، چرخش‌هایشان می‌تواند به هر جهتی اشاره کند.
«به طور معمول، این اسپین‌ها یک الگوی منظم تشکیل می‌دهند، اما شبکه‌ای که در مدل ما وجود دارد اجازه چنین نظمی را نمی‌دهد، که منجر به ناامیدی هندسی می‌شود.» سی گفت.
در عوض، اسپین‌ها یک ترتیب بیشتر سیال معروف به مایع اسپین کوانتومی تشکیل می‌دهند، که چیرال است و یک جهت در زمان انتخاب می‌کند. هنگامی که این مایع اسپین با الکترون‌های سریعتر کوپل می‌شود، اثر توپولوژیکی دارد.
تیم تحقیقاتی کشف کرد که این کوپلینگ همچنین یک انتقال به فاز کاندو را تحریک می‌کند، جایی که اسپین‌های الکترون‌های کندتر به الکترون‌های سریعتر قفل می‌شوند. مطالعه پیچیدگی‌های تعامل بین توپولوژی الکترونیکی و انتقال‌های فاز کوانتومی را آشکار می‌کند.
همانطور که الکترون‌ها از طریق این انتقال‌ها می‌گذرند، رفتارشان به شدت تغییر می‌کند، به ویژه در نحوه هدایتی مقناطیسی آنها.
پاشن گفت یکی از مهم‌ترین یافته‌ها اثر هال است، که توضیح می‌دهد چگونه یک جریان الکتریکی تحت تأثیر میدان مغناطیسی خارجی خم می‌شود.
«اثر هال شامل یک مولفه است که توسط توپولوژی الکترونیکی ممکن شده است،» او گفت. «ما نشان می‌دهیم که این اثر در نقطه بحرانی کوانتومی به طور ناگهانی می‌جهد.»
این کشف فهم ما از مواد کوانتومی را پیش می‌برد و امکان‌های جدیدی برای فناوری آینده باز می‌کند، سی گفت. بخشی مهم از یافته‌های تیم تحقیقاتی این است که اثر هال به طور چشمگیری به انتقال فاز کوانتومی پاسخ می‌دهد.
«با تشکر از توپولوژی، این پاسخ در یک میدان مغناطیسی بسیار کوچک اتفاق می‌افتد،» او گفت.
خواص غیرمعمول می‌تواند به توسعه انواع جدید دستگاه‌های الکترونیکی، مانند حسگرهای با حساسیت بالا، که می‌تواند انقلاب در حوزه‌هایی مانند تشخیص‌های پزشکی یا نظارت محیطی پدید آورد، منجر شود.
