نیوزویز – یک تیم تحقیقاتی بین‌المللی به رهبری آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) اولین تصاویر با وضوح اتمی را گرفته و کنترل الکتریکی وضعیت یک رابط کایرال را نشان داده است، یک پدیده کوانتومی عجیب و غریب که می‌تواند به پیشرفت محققان کمک کند. محاسبات کوانتومی و الکترونیک کارآمد انرژی
حالت رابط کایرال یک کانال رسانایی است که به الکترون ها اجازه می دهد فقط در یک جهت حرکت کنند و از پراکندگی آنها به عقب و ایجاد مقاومت الکتریکی هدر رفت انرژی جلوگیری می کند. محققان در حال کار برای درک بهتر ویژگی‌های حالت‌های واسط کایرال در مواد واقعی هستند، اما تجسم ویژگی‌های فضایی آنها بسیار دشوار است.
اما اکنون، برای اولین بار، تصاویری با وضوح اتمی که توسط یک تیم تحقیقاتی در آزمایشگاه برکلی و دانشگاه کالیفرنیا برکلی گرفته شده است، به طور مستقیم یک حالت رابط کایرال را تجسم کرده اند. محققان همچنین ایجاد بر اساس تقاضای این کانال های رسانا بدون مقاومت را در یک عایق دو بعدی نشان دادند.
کار آنها که در مجله گزارش شده است فیزیک طبیعیبخشی از تلاش گسترده تر آزمایشگاه برکلی است پیشرفت محاسبات کوانتومی و سایر کاربردهای سیستم اطلاعات کوانتومیاز جمله طراحی و سنتز مواد کوانتومی برای رفع نیازهای ضروری تکنولوژیکی.
آزمایش‌های قبلی نشان داده‌اند که حالت‌های واسط کایرال وجود دارند، اما هیچ‌کس تا به حال آنها را با وضوح بالا تجسم نکرده است. کار ما برای اولین بار نشان می‌دهد که این حالت‌های 1 بعدی در مقیاس اتمی چگونه به نظر می‌رسند، از جمله اینکه چگونه می‌توانیم آنها را تغییر دهیم – و حتی آنها را ایجاد کنیم. رشته فیزیک در دانشگاه کالیفرنیا برکلی او اکنون پژوهشگر فوق دکترا در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا است.
حالت‌های واسط کایرال می‌توانند در انواع خاصی از مواد دوبعدی معروف به عایق‌های ناهنجار کوانتومی هال (QAH) رخ دهند، این عایق‌ها در بخش عمده هستند اما الکترون‌ها را بدون مقاومت در «لبه‌های» یک‌بعدی هدایت می‌کنند – مرزهای فیزیکی مواد و رابط‌های مشترک با مواد دیگر.
برای آماده سازی حالت های رابط کایرال، این تیم در آزمایشگاه برکلی کار کردند ریخته گری مولکولی برای تولید دستگاهی به نام گرافن تک لایه-دولایه پیچ خورده، که پشته ای از دو لایه نازک اتمی گرافن است که دقیقاً نسبت به یکدیگر می چرخند و یک ابرشبکه موآر ایجاد می کند که اثر QAH را نشان می دهد.
در آزمایش‌های بعدی در دپارتمان فیزیک دانشگاه کالیفرنیا برکلی، محققان از یک میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) برای تشخیص حالت‌های الکترونیکی مختلف در نمونه استفاده کردند که به آنها اجازه می‌دهد تا عملکرد موج حالت رابط کایرال را تجسم کنند. آزمایش‌های دیگر نشان داد که وضعیت رابط کایرال را می‌توان با تعدیل ولتاژ روی یک الکترود دروازه‌ای که در زیر لایه‌های گرافن قرار دارد، در سراسر نمونه جابجا کرد. در نمایش نهایی کنترل، محققان نشان دادند که یک پالس ولتاژ از نوک یک کاوشگر STM می‌تواند یک حالت واسط کایرال را در نمونه بنویسد، آن را پاک کند و حتی حالت جدیدی را که در آن الکترون‌ها در جهت مخالف جریان می‌یابند بازنویسی کند. .
این یافته‌ها می‌تواند به محققان کمک کند تا شبکه‌های قابل تنظیمی از کانال‌های الکترونی بسازند که نوید بخش میکروالکترونیک با انرژی کارآمد و دستگاه‌های حافظه مغناطیسی کم توان در آینده، و همچنین برای محاسبات کوانتومی با بهره‌برداری از رفتار عجیب و غریب الکترون‌ها در عایق‌های QAH است.
محققان قصد دارند از تکنیک خود برای مطالعه فیزیک عجیب‌تر در مواد مرتبط مانند آنیون‌ها استفاده کنند، نوع جدیدی از شبه ذره که می‌تواند مسیری را برای محاسبات کوانتومی فعال کند.
“نتایج ما اطلاعاتی را ارائه می دهد که قبلا امکان پذیر نبود. ژانگ گفت: هنوز راه زیادی در پیش است، اما این اولین قدم خوب است.
این کار توسط مایکل کرومی، دانشمند ارشد بخش علوم مواد آزمایشگاه برکلی و استاد فیزیک در دانشگاه کالیفرنیا برکلی هدایت شد.
تیانکونگ ژو، محقق سابق فوق دکتری در گروه کرومی در آزمایشگاه برکلی و دانشگاه کالیفرنیا برکلی، به عنوان یکی از نویسندگان همکاری کرد و اکنون استاد فیزیک در دانشگاه پردو است.
ریخته‌گری مولکولی یک مرکز کاربری دفتر علوم DOE در آزمایشگاه برکلی است.
این کار توسط دفتر علوم DOE پشتیبانی شد. بودجه اضافی توسط بنیاد ملی علوم ارائه می شود.
###
آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) متعهد به ارائه راه حل هایی برای بشریت از طریق تحقیقات انرژی پاک، سیاره ای سالم و علم اکتشاف است. آزمایشگاه برکلی و دانشمندانش در سال 1931 با این باور که بزرگترین مشکلات به بهترین وجه توسط تیم ها حل می شود، تأسیس شد و برنده 16 جایزه نوبل شده است. محققان از سراسر جهان برای تحقیقات پیشگامانه خود به امکانات علمی در سطح جهانی آزمایشگاه متکی هستند. آزمایشگاه برکلی یک آزمایشگاه ملی چند برنامه ای است که توسط دانشگاه کالیفرنیا برای دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده اداره می شود.
دفتر علوم DOE بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به Energy.gov/science.