یون‌های هیدروژن می‌توانند خواص الکترونیکی ماده کوانتومی عجیب و غریب را کنترل کنند
تیمی از فیزیکدانان کالج اسپانیا نیویورک (CCNY) روش جدیدی برای کنترل خواص الکترونیکی یک نیمه‌فلز وایلی مغناطیسی ایجاد کرده‌اند.
این مواد ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارند که در آنها الکترون‌ها مانند ذرات بدون جرم به نام فرمیون‌های ویل رفتار می‌کنند. این ذرات خاص هستند زیرا چرخش و حرکتشان به هم وصل است و به آنها یک «دستیابی» خاص می‌بخشد.
این تکنیک از کاتیون‌های هیدروژن (H+) برای تنظیم این خواص استفاده می‌کند و امکانات جدیدی برای مواد و فن‌آوری‌های پیشرفته باز می‌کند.
به گفته پژوهشگران، این کشف می‌تواند به دستگاه‌های کوانتومی جدیدی منجر شود که از حالات توپولوژیک خاص برای تکنولوژی‌های پیشرفته مانند نانو الکترونیک چیرال و محاسبات کوانتومی بدون خطا استفاده می‌کنند.
تُنظیم نودهای وایلی
فرمیون‌های وایلی چیرال ذرات بدون جرمی هستند که ابتدا در فیزیک نظری پیشنهاد شده‌اند ولی در ماده میعانی به عنوان تحریکات در نیمه‌فلزهای وایلی پیدا شده‌اند.
این مواد فازهای ۳D منحصربه‌فردی هستند با تقاطع‌های نواری خاص به نام نودهای وایلی که زمانی که تقارن وارونگی یا برگشت زمان خراب می‌شود رخ می‌دهند. این نودها به صورت جفت‌هایی با «دستیابی» مخالف ظاهر می‌شوند، که به چگونگی تراز چرخش ذره با حرکتش وابسته است.
به گفته پژوهشگران، آنها توپولوژیکاً محافظت شده‌اند و به عنوان منابع یا سینک‌های انحنا بری، یک میدان مغناطیسی‌مانند در فضا حرکت عمل می‌کنند. این رفتار فرمیون‌های وایلی را به شکل متفاوتی نسبت به فلزات عادی نشان می‌دهد، که پدیده‌هایی مانند آنومالی چیرال را ممکن می‌کند، جایی که رسیدن چیرال آنها تحت شرایط خاصی نامتعادل می‌شود.
با وجود پیشرفت‌ها، تنظیم این دینامیک‌های عجیب در نیمه‌فلزهای وایلی مغناطیسی همچنان پیچیده است، زیرا بافت‌های چرخشی آنها می‌توانند به طور غیرمنتظره رفتارشان را تغییر دهند.
در پژوهش جدید، تیم روشی برای تنظیم خواص توپولوژیک در نیمه‌فلزهای وایلی فرومغناطیسی با استفاده از هیدروژن فاش می‌کند. با معرفی و حذف هیدروژن در MnSb₂Te₄، پژوهشگران ساختار نواری ماده را اصلاح کردند و نودهای وایلی با شیب قوی ایجاد کردند.
انتقال کوانتومی کارآمد
این روش برای تنظیم دقیق نودهای وایلی در ماده با استفاده از یون‌های هیدروژن (H+) نقص‌ها را در پیوندهای Mn-Te برطرف کرد و از برخورد نودهای وایلی کاست.
این فرآیند آشکار کرد که بار‌های الکتریکی به شکل متفاوتی بسته به جهت چرخش میدان مغناطیسی در سطح، ساعت‌گرد یا پادساعت‌گرد رفتار می‌کنند. این جریان‌های با اتلاف انرژی کم ایجاد می‌کند که برای الکترونیک کارآمد ایده‌آل است.
وضعیت‌های وایلی تعدیل‌شده نشان‌دهنده خواص بهبود یافته‌ای هستند که شامل دمای کوری دوبرابر شده (نقطه‌ای که در آن مغناطیس ضعیف می‌شود) و «سوییچ چیرال» خاصی است. این سوییچ به انحنای بری توپولوژیک، آنومالی چیرال، و نودهای وایلی تغییر یافته بوسیله هیدروژن متکی است که انتقال بار قابل کنترل و پیشرفته را ممکن می‌کند.
«پیشرفت عمده این کار گسترش گستره مواد کوانتومی توپولوژیک طراح فراتر از طرح طبیعت است،» گفت پروفسور کروازین-الباوم از دانشکده علوم CCNY در بیانیه‌ای.
«نوارهای توپولوژیک قابل تنظیم تسهیل‌شده با هیدروژن یا دیگر عناصر سبک از طریق مسیرهای مرتبط با نقص، دسترس‌پذیری پلتفرم‌های قابل دسترسی برای کاوش و بهره‌برداری از فازهای توپولوژیک با رفتارهای ماکروسکوپی چشمگیر را گسترش داده و راهی برای پیاده‌سازی‌های مبتنی بر صیقلیت بالقوه اختلال‌برانگیز در دستگاه‌های کوانتومی آینده باز می‌کنند.»
تحقیقات بر کشف پدیده‌های کوانتومی جدید تمرکز دارد، از جمله اثر هال آنومالی کوانتومی (QAH)، که به یک عایق اجازه می‌دهد بدون اتلاف انرژی از طریق کانال‌های سطحی جریان برق را هدایت کند، ابررسانایی 2D و حالت‌های اکسیون با انتقال حرارتی کمیت.
به گفته پژوهشگران، این کشفیات پتانسیل زیادی برای توسعه تکنولوژی‌های کارآمد از لحاظ انرژی دارند. تکنیک نشان‌داده‌شده بسیار متنوع است و می‌تواند به طور قابل توجهی قابلیت‌های مغناطیس‌های توپولوژیک ذاتی را افزایش دهد و راهی برای پیشرفت در الکترونیک‌های کوانتومی آینده باز کند.
جزئیات تحقیقات تیم در مجله Nature منتشر شده است.
