این ماده عجیب، حالت کوانتومی عجیب و غریب را در دمای اتاق از خود بروز می‌دهد
بسیاری از اثرات کوانتومی را می‌توان تنها در دماهای بسیار سرد ایجاد کرد، که میزان کاربردی بودن آنها را دنیای واقعی محدود می‌کند. اکنون محققان پرینستون وضعیت کوانتومی عجیبی را در ماده‌ای در دمای اتاق نشان داده‌اند.
عایق توپولوژیکی ماده‌ای با ساختاری است که الکترون‌ها را به روشی منحصر به فرد هدایت می‌کند. با این حال، لایه‌های نازک در سطح و در امتداد لبه‌های آن بسیار رسانا هستند و به الکترون‌ها اجازه می‌دهند آزادانه با راندمان بالا جریان داشته باشند . با توجه به این ویژگی‌های عجیب، عایق‌های توپولوژیکی می‌توانند میزبان برخی از حالت‌های کوانتومی جذاب باشند که می‌توانند برای ساخت فناوری‌های کوانتومی آینده مفید باشند.
اما مطمئناً یک نکته وجود دارد: بیشتر حالت‌های کوانتومی بسیار ناپایدار هستند. گرما یا نویز حرارتی یک محرک اصلی است – وقتی مواد گرمتر می شوند، اتم‌های موجود در آنها با انرژی‌های بالاتر مرتعش می‌شوند که حالت کوانتومی را مختل می کند. به این ترتیب، بیشتر آزمایش‌ها و فناوری‌هایی که از اثرات کوانتومی استفاده می‌کنند باید در دمای نزدیک به صفر مطلق انجام شوند، جایی که حرکت اتم‌ها به سرعت کند می‌شود. اما این به نوبه خود باعث می‌شود که این فناوری‌ها برای استفاده گسترده‌تر غیرعملی باشند.
در مطالعه جدید، محققان پرینستون راهی برای دور زدن این موضوع پیدا کردند و اثرات کوانتومی را در یک عایق توپولوژیکی در دمای اتاق مشاهده کردند. ماده انتخابی آنها یک ترکیب کریستالی معدنی به نام بیسموت برمید بود.
مشخص شد که این ماده دارای شکاف نواری band gap مناسب است، یک “سد” عایق که در آن الکترون ها نمی‌توانند با سطوح انرژی خاصی وجود داشته باشند. این شکاف نواری باید به اندازه کافی گسترده باشد تا در برابر نویز حرارتی محافظت کند، اما نه آنقدر گسترده باشد که اثر جفت شدن مدار چرخش الکترون ها را مختل کند، که برای پایدار نگه داشتن آنها ضروری است.
مشخص شد که بیسموت برومید دارای شکاف نواری بیش از 200 میلی الکترون ولت است، درست در “نقطه مناسب” تا حالت کوانتومی را در دمای اتاق ثابت نگه دارد.
این تیم با مشاهده چیزی که حالت لبه هال اسپین کوانتومی quantum spin hall edge state نامیده می‌شود، یافته خود را تأیید کردند، ویژگی منحصر به فرد این سیستم‌های توپولوژیکی. پیشرفت فناوری‌های کوانتومی مانند اسپین‌ترونیک است، یعنی میدان نوظهوری است که داده‌ها را در اسپین‌های الکترون‌ها با بازدهی بالاتر از الکترونیک فعلی رمزگذاری می‌کند.
این تحقیق در مجله Nature Materials منتشر شده است.
