Багато квантових процесів можуть спостерігатися лише за дуже низьких температур, що обмежує їхню корисність у реальних умовах. Дослідники з Принстона продемонстрували дивний квантовий ефект, що відбувається в матеріалі за кімнатної температури.
Топологічний ізолятор – це матеріал зі структурою, яка унікальним чином проводить електрони. Основна частина матеріалу є ізолятором, що повністю запобігає перебігу електронів крізь нього. Однак тонкі шари на його поверхні та по краях мають високу провідність, що дозволяє електронам вільно переміщатися з високою швидкістю. Ці дивні властивості свідчать про деякі цікаві квантові стани топологічних ізоляторів, які можуть бути корисними для створення нових квантових технологій.
Більшість квантових станів надзвичайно крихкі та порушуються при втручанні. Тепло є основним тригером: коли матеріали нагріваються, атоми в них вібрують із вищими енергіями, що порушує квантовий стан. Більшість експериментів, які використовують квантові ефекти, необхідно проводити за температур, близьких до абсолютного нуля, коли рух атомів різко сповільнюється. Ця обставина робить тподібні технології непрактичними для широкого використання.
У новому дослідженні вчені з Принстона знайшли спосіб обійти це і продемонстрували квантові ефекти в топологічному ізоляторі за кімнатної температури. У якості об’єкта експериментів було обрано неорганічну кристалічну сполуку – бромід вісмуту.
Було виявлено, що цей матеріал має потрібну ширину ізоляційного бар’єра, в якому електрони не можуть існувати з енергетичними рівнями. Ця зона повинна бути досить широкою, щоб захистити процес від теплового шуму, але не настільки широкою, щоб порушувати ефект спін-орбітального зв’язку електронів, який життєво важливий для підтримки їхньої стабільності. Було виявлено, що ширина бар’єра вісмуту броміду становить біля 200 міліелектронвольт, що є «золотим перетином» для підтримки стабільного квантового стану при кімнатній температурі.
Команда підтвердила своє відкриття, спостерігаючи так званий крайовий стан квантової спінової зали — властивість, унікальна для цих топологічних систем. Дослідники кажуть, що цей прорив буде корисним для розвитку спінтроніки – способу кодування даних у спінах електронів, ефективніший, ніж сучасна електроніка. Дослідження було опубліковано у журналі Nature Materials.
Джерело: New Atlas