پیشرفت مهمی در تنظیم رفتار الکترون‌ها می‌تواند به بهترین مواد کوانتومی منجر شود
محققان در دانشگاه لاگبورو روشی را توسعه داده‌اند که به دانشمندان امکان می‌دهد رفتار الکترون‌ها را برای ایجاد مواد پیشرفته کوانتومی بهینه‌سازی کنند.
نحوه رفتار الکترون‌ها مستقیماً بر کیفیت و قابلیت‌های مواد کوانتومی تأثیر می‌گذارد.
این امر به این دلیل است که عواملی مانند حرکت الکترون‌ها، اسپین و سطوح انرژی ویژگی‌هایی مانند هدایت حرارتی، کارایی الکتریکی، انتقال بار، تمامیت کوانتومی و عملکرد ذخیره‌سازی و پردازش داده در کاربردهای محاسبات کوانتومی را تعیین می‌کند.
با این حال، تنظیم دقیق رفتار الکترون همواره چالشی بوده است. به عنوان مثال، سال‌هاست که دانشمندان می‌دانند موادی مانند روتنات استرانسیوم (SrRuO3) یا گرافن دو لایه می‌تواند منجر به توسعه کاربردهای کوانتومی برتر شوند.
با این حال، نمی‌توانستند از این مواد استفاده کنند زیرا رویکرد عملی برای کنترل رفتار پیچیده الکترون‌های آنها وجود نداشت. در مطالعه جدید خود، تیم دانشگاه لاگبورو ادعا می‌کند که این چالش را برطرف کرده است.
اهمیت تکینگی‌های هاف درجه بالا وان
به گفته محققان، نقاط خاصی در ساختار الکترونیکی یک ماده وجود دارد که در آن بسیاری از سطوح انرژی الکترون‌ها به صورت غیرموضعی به شدت متراکم می‌شوند. این تکینگی‌ها به عنوان تکینگی‌های هاف درجه بالا وان (HOVHS) شناخته می‌شوند و در ساختار نواری ماده رخ می‌دهند که توصیف می‌کند چگونه الکترون‌ها رفتار می‌کنند و حرکت می‌کنند.
برخلاف تکینگی‌های وان هاف معمولی که زمانی رخ می‌دهند که سطوح انرژی به صورت محلی مسطح یا ساده هستند، HOVHS شامل شکل‌های پیچیده‌تری است که منجر به تمرکز حتی بیشتری از الکترون‌ها در انرژی‌های خاص می‌شود.
این می‌تواند برخی اثرات فیزیکی خاص مانند ابررسانایی یا مغناطیس را تقویت کند و HOVHS را در تحقیقات مواد پیشرفته مهم سازد.
"دانشمندان مشتاق هستند که کشف کنند چگونه می‌توان HOVHS را برای تنظیم دقیق ویژگی‌های مواد استفاده کرد. با این حال، درک HOVHS به صورت محدود باقی مانده است، از جمله تعیین محل وقوع آنها در مواد و عواملی که ایجاد آنها را تحریک می‌کند," نویسندگان مقاله گفته‌اند .
بر اساس قضیه فاینمن-هلمن، نویسندگان روشی را توسعه داده‌اند که به آنها اجازه می‌دهد با استفاده از برخی مدل‌های نظری و محاسباتی HOVHS را به طور مؤثر شناسایی و بررسی کنند.
قضیه فاینمن-هلمن یک مفهوم در مکانیک کوانتومی است که به تعیین تغییر انرژی یک سیستم هنگام تغییر جزئی یک پارامتر سیستم کمک می‌کند.
استفاده از HOVHS برای تنظیم مواد کوانتومی
محققان روش خود را بر روی روتنات استرانسیوم (Sr₂RuO₄) به کار بردند و حضور HOVHS را بر روی سطح آن کشف کردند. مطالعه آنها نشان داد که به دلیل چرخش‌های خاص در ساختار ماده، HOVHS تنها به سطح Sr₂RuO₄ محدود است و در جای دیگری موجود نیست.
آنها پیشنهاد می‌کنند که با استفاده از اطلاعات حاصل از مطالعه خود، می‌توانند پیش‌بینی کنند که چگونه تغییر ساختار سطح Sr₂RuO₄ می‌تواند بر ویژگی‌های کوانتومی آن تأثیر بگذارد. علاوه بر این، این نتایج ممکن است به دیگر مواد کوانتومی نیز اعمال شود.
"به لطف تحقیقات ما، اکنون ممکن است روش‌هایی برای ایجاد این نوع تکینگی‌ها برای تغییر ویژگی‌های الکترونیکی و مغناطیسی مواد تصور شود," جوزف بتوراس , یکی از نویسندگان مطالعه و استاد دانشگاه لاگبورو گفت.
"این می‌تواند به عنوان مثال، امکان ایجاد ابررساناها—موادی که در آن الکترون‌ها بدون مقاومت جریان می‌یابند—در دماهای نزدیک به دمای اتاق را ممکن سازد," او افزود.
این مطالعه در ژورنال Nature Communications منتشر شده است.
