_ Oamenii de știință construiesc un nou banc de testare cuantic atom la un moment dat

Cu precizie atomică, oamenii de știință au construit un banc de testare pentru a manipula electronii în moduri cu totul noi, cu potențiale aplicații în calculul cuantic.

Electronii sunt obiecte minuscule care pot transporta electricitate și informații. între materiale și între dispozitive. Ele sunt adesea vizualizate ca sfere discrete, fie deplasându-se printr-un circuit, fie conectate la un atom. În timp ce acest model clasic funcționează bine pentru multe scenarii, mecanica cuantică prezintă o imagine radical diferită a naturii electronilor care implică unde, nori și multă matematică.

Pe măsură ce oamenii de știință înțeleg mai bine mecanica cuantică, ei sunt căutând dincolo de metodele noastre actuale pentru a crea materiale cu proprietăți electronice unice care le permit să stocheze și să manipuleze informații în moduri cu totul noi.

Oamenii de știință de la Laboratorul Național Argonne al Departamentului de Energie al SUA (DOE) au creat un nou banc de testare. să exploreze comportamentul electronilor într-o clasă specială de materiale numite izolatori topologici, care ar putea avea aplicații în calculul cuantic.

Topologia — un domeniu al matematicii privind natura formelor — oferă o perspectivă unică asupra fizicii materiale. Electronii de pe suprafața izolatorilor topologici pot exista în stări care le permit să curgă aproape fără rezistență. Aceste stări pot proteja, de asemenea, sistemul de zgomotul extern sau influența, o provocare majoră pentru tehnologiile informaționale cuantice emergente.

Oamenii de știință explorează puterea fenomenelor mecanice cuantice precum aceste stări topologice de a stoca și comunica informații cu mai multe viteza, securitatea și eficiența energetică.

„Am fost capabili să controlăm apariția stărilor topologice în patul nostru de testare”, a spus fizicianul teoretician Argonne Pierre Darancet, autor principal al lucrării. „Munca noastră reprezintă un pas către exploatarea fenomenelor topologice pentru calculul cuantic.”

Nu pot să cred că nu este grafen!

Super puternic și un conductor superior de electroni, materialul grafen este o foaie groasă de un atom de atomi de carbon cu multe aplicații posibile. În lucrările anterioare, s-a arătat că nanoribon-urile de grafen - mici benzi de grafen - prezintă stări topologice promițătoare. Inspirată de acest lucru, echipa Argonne a construit un banc de testare cu grafen artificial cu precizie atomică, în speranța de a explora în continuare aceste efecte topologice.

„Fabricarea nanoribbonurilor artificiale de grafen ne-a oferit un control mai precis asupra sistemului, în comparație cu sintetizarea nanoribon-urilor reale. care poate fi dezordonat”, a spus Darancet. „A fost visul unui teoretician să-i pună pe experimentați să construiască atom de Lego atom cu atom și a permis o mai mare manipulare și explorare a topologiei.”

Echipa a construit nanoribbonuri artificiale de grafen prin plasarea individuală de monoxid de carbon (CO) molecule foarte precis pe o suprafață de cupru, folosind un microscop cu tunel de scanare (STM) la Centrul Argonne pentru Materiale la scară nanometrică, o facilitate pentru utilizatori DOE Office of Science.

Oamenii de știință folosesc în general microscoape pentru a aduna informații despre materiale. În acest studiu, au folosit STM atât pentru a crea, cât și pentru a investiga materialul. Ei au dezvoltat, de asemenea, algoritmi de computer pentru a automatiza construcția, permițându-le să opereze STM de la distanță. „M-am trezit, mă beam cafeaua și apoi începeam să mă joc cu un microscop care se afla la 30 de mile distanță”, a spus Dan Trainer, care a condus partea STM a lucrării în calitate de angajat postdoctoral la Argonne.

Folosind vârful curat al microscopului, Trainerul și echipa au poziționat moleculele de CO, una câte una, pe suprafața de cupru într-un mod care și-a limitat electronii pentru a emula structura de fagure prezentată doar de atomii de carbon într-o nanopanglică de grafen real.

Nanopanglica artificială rezultată a afișat într-adevăr aceleași proprietăți electronice și topologice pe care cercetătorii au prezis că vor apărea în realitate.

Atingerea stărilor topologice

În tehnologiile electronice actuale, informația este reprezentată cu unu și zero care corespund prezenței sau absenței electronilor care circulă într-un circuit. Atunci când un material există într-o stare topologică, așa cum s-a demonstrat în acest studiu, electronii de pe suprafața lui sunt mai bine descriși ca un fel de minte mecanică cuantică a stupului, care afișează modele de unde pe material.

Ne putem gândi la electroni. pe suprafețele metalice ca valuri într-un iaz, unde apa se organizează ca o serie de vibrații care ricoșează pe marginile lacului, mai degrabă decât o simplă supă de molecule de H2O fără legătură. Stările topologice sunt unde necinstite care apar din interacțiunile complexe dintre electronii individuali de pe suprafață.

O provocare principală în acest experiment a fost găsirea distanței optime a moleculelor de CO necesare pentru a bloca electronii sistemului în ceva electronic. echivalent cu grafenul. Când oamenii de știință au obținut această configurație precisă în patul lor de testare, pe suprafața de cupru au apărut unde topologice. Ca și în cazul aurorei boreale de la Polul Nord, când condițiile erau potrivite, sistemul obișnuit de particule a devenit un afișaj electromagnetic spectaculos.

„Este incredibil de rar ca un sistem experimental să se potrivească atât de perfect cu predicțiile teoretice.” spuse Trainer. „A fost cu adevărat uimitor.”

Rezultatele studiului au fost publicate într-un articol „Artificial Graphene Nanoribbons: A Test Bed for Topology and Low-Dimensional Dirac Physics” în ACS Nano.

(Fluierul)