Yeni araç, elektronik durumları çözüyor. Kredi: İllüstrasyon: Woojoo Lee ve Peter Allen
Chicago Üniversitesi, Pritzker Moleküler Mühendisliği Okulu’ndaki (PME) araştırmacılar, mühendislik malzemelerinin elektronik durumlarının kökenini ortaya çıkarmaya yardımcı olabilecek yeni bir araç geliştirdiler. , gelecekteki kuantum teknolojisi uygulamalarında kullanımlarının önünü açıyor.
Yardımcı Profesör Shuolong Yang ve ekibi, manyetik topolojik izolatörlerin (çok önemli bir rol oynayabilecek benzersiz yüzey özelliklerine sahip malzemeler) anlaşılmasını geliştirmek için bu yenilikçi aracı geliştirdi. kuantum bilgi bilimi teknolojilerinin ilerlemesinde.
Katman kodlu frekans alanlı fotoemisyon adı verilen bir teknikle, araştırmacılar katmanlı bir malzemeye iki lazer darbesi gönderir. Ortaya çıkan titreşimler, enerji ölçümüyle birleştiğinde, araştırmacıların elektronların her katmanda nasıl hareket ettiğini gösteren bir “film” oluşturmasına olanak tanır.
“Günlük hayatımızda, bir malzemeyi daha iyi anlamak istediğimizde — Yang, bileşimini veya içi boş olup olmadığını anlamak için – üzerine vuruyoruz,” dedi. “Bu, mikroskobik düzeyde benzer bir yaklaşımdır. Yeni tekniğimiz, katmanlı malzemeleri ‘vurup dinlememize’ olanak tanıyor ve belirli bir manyetik topolojik yalıtkanın teorinin öngördüğünden farklı çalıştığını göstermemize olanak tanıyor.”
Sonuçlar, Nature Physics dergisinde yayınlandı.
Katmanlı malzemeleri anlamak önemlidir, çünkü artık pek çok malzeme bilimcisi malzemeleri atomik düzeyde katman katman bir süreçte tasarlıyor ve yaratıyor, yeni bir malzeme oluşturmak için iki veya daha fazla malzemeyi bir araya getiriyor. Bu malzemeleri sıfırdan inşa etmek, gelecekteki teknolojiler için yeni özelliklere sahip malzemeler oluşturmalarına olanak tanır.
Bilim adamları, manyetik bir malzemeyi manyetik olmayan bir malzemeyle birleştirerek iki katmanlı manyetik topolojik yalıtkanı (MnBi2Te4)(Bi2Te3) yarattıklarında. manyetik malzeme, egzotik kuantum özelliklerine sahip bir malzeme geliştirdiler. Elektronlar hem enerjilerini hem de kuantum özelliklerini korurken yüzeyin çevresinde hareket ederler. Bu süper akım potansiyel olarak geleceğin kuantum bilgisayarlarında kübitlerde saklanan bilgileri iletmek için kullanılabilir.
Bu katmanlar çok ince olduğundan (birkaç nanometre mertebesinde) spektroskopi gibi geleneksel malzeme tanımlama araçları ayırt edemez katmanlar arasında. Elektronların ideal olarak manyetik malzemenin yüzeyi etrafında hareket etmesi gerekirken, diğer gruplar tarafından yapılan önceki deneyler, elektronların belki de manyetik olmayan malzemenin etrafında hızla döndüğünü gösterdi.
Sonuç, teorik tahminlere meydan okuyor
Yeni araç, iki farklı katmanda neler olduğunu anlamak için önce bir femtosaniye (veya saniyenin katrilyonda biri) kızılötesi darbe gönderiyor. Bu kısa darbe, katmanların bileşimlerine bağlı olarak farklı şekilde titreşmesine neden olur. Ardından araştırmacılar, malzemedeki elektronların enerjisini ve momentumunu ölçebilen ikinci bir ultraviyole lazer darbesi gönderir. İki ölçüm birlikte zaman içindeki elektron hareketini kaydedebilir.
Yang, “Aslında femtosaniye zaman ölçeğinde bir film,” dedi. “Ve hangi elektronların hangi katmandan olduğunu söylememizi sağlıyor.”
Tekniği malzemeye (MnBi2Te4)(Bi2Te3) uyguladıklarında, özel elektronik durumun manyetik katmanda olmadığını gördüler, teorik tahminlere meydan okuyan. Ancak, bu süper akım manyetik katman içinde yer alırsa, malzeme kuantum özelliklerini büyük ölçüde iyileştirmiş olacağından, Yang ve ekibi, genel olarak araştırma topluluğunu malzemeyi yeniden tasarlamak için çizim tahtasına geri dönmeye motive etti.
Yang bu tekniğin, topolojik süperiletkenler ve farklı elektronik davranışlar oluşturmak için belirli bir şekilde birbirine açı veren katmanlı malzemeler olan twistronikler gibi diğer özel malzemeleri daha iyi anlamak için de kullanılabileceğini söylüyor.
“Yeni bir şey oluşturduğunuzda Gelecekteki uygulamalar için malzemeler, sentez ve karakterizasyon arasında bir geri bildirim döngüsüne sahip olmanız önemlidir” dedi. “Bu, bir sonraki sentez yinelemesine rehberlik edecek ve teknolojik boşluğu doldurmamıza yardımcı olacaktır.”
Referans: “Layer-by-layer disentanglement of Bloch state”, yazan Woojoo Lee, Sebastian Fernandez-Mulligan, Hengxin Tan, Chenhui Yan, Yingdong Guan, Seng Huat Lee, Ruobing Mei, Chaoxing Liu, Binghai Yan, Zhiqiang Mao ve Shuolong Yang, 23 Mart 2023, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-023-02008-4{ 11}
Çalışma ABD Enerji Bakanlığı ve Ulusal Bilim Vakfı tarafından finanse edildi.
Makaledeki diğer yazarlar arasında doktora sonrası araştırmacı Woojoo Lee, eski araştırma stajyeri Sebastian Fernandez-Mulligan ve eski doktora sonrası Chenhui Yan; Weizmann Bilim Enstitüsü’nden Hengxin Tan ve Binghai Yan; ve Pennsylvania Eyalet Üniversitesi’nden Yingdong Guan, Seng Huat Lee, Ruobing Mei, Chaoxing Liu ve Zhiqiang Mao.