يستخدم العلماء العوازل الطوبولوجية لإظهار التأثيرات الكمومية لأكثر من عقد من الزمان ، ولكن في
فيزياء الكم والطوبولوجيا - معًا
في السنوات الأخيرة ، جذبت دراسة الحالات الطوبولوجية للمادة انتباه الفيزيائيين والمهندسين في جميع أنحاء العالم.يجمع هذا المجال البحثي بين فيزياء الكم والطوبولوجيا ، وهو فرع من الرياضيات النظرية التي تدرسالخصائص الطوبولوجية للمادة مهمة من حيث الفيزياء الأساسية والتطبيقات في الجيل التالي من هندسة الكم وتكنولوجيا النانو.
أساس طوبولوجيا الكم
المكون الرئيسي للجهاز المستخدمالبحث في ألغاز طوبولوجيا الكم – العازل الطوبولوجي. يعمل الجهاز الفريد كعازل من الداخل، مما يعني أن الإلكترونات الموجودة بداخله لا يمكنها التحرك بحرية وبالتالي لا تقوم بتوصيل الكهرباء.
لكن الإلكترونات الموجودة على حواف الجهاز حرة في الحركةالتحرك، وبالتالي فهي موصلة. بفضل الخصائص الخاصة للطوبولوجيا، لا تتداخل الإلكترونات المتدفقة على طول الحواف مع أي عيوب أو تشوهات. لا يستطيع الجهاز الجديد تحسين التقنيات المستقبلية فحسب، بل يوفر أيضًا فهمًا أعمق للمادة نفسها من خلال استكشاف خصائصها الإلكترونية الكمومية.
ما المشكلة؟
لا تزال تستخدم المواد والأجهزةللتطبيقات الحقيقية في الأجهزة الوظيفية كانت مشكلة. كل ذلك بسبب الظروف القاسية للطوبولوجيا الكمومية. نعم، يوجد الآن اهتمام كبير بالمواد الطوبولوجية، وكثيرًا ما يتحدث الناس عن إمكاناتها الكبيرة للتطبيقات العملية. لكن إلى أن يظهر بعض التأثير الطوبولوجي الكمي العياني في درجة حرارة الغرفة، سيظل كل هذا مجرد حلم.
المشكلة هي أن البيئة أو عاليةتخلق درجات الحرارة ما يسميه الفيزيائيون "الضوضاء الحرارية". بكلمات بسيطة، هذه زيادة في درجة الحرارة حيث تبدأ الذرات بالاهتزاز بقوة. وهذا يمكن أن يعطل عمل الأنظمة الكمومية الدقيقة، وبالتالي تدمير الحالة الكمومية نفسها.
على وجه الخصوص، في العوازل الطوبولوجية هذهتؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى خلق حالة تتسلل فيها الإلكترونات الموجودة على سطح العازل إلى داخل العازل. يؤدي هذا إلى قيام الإلكترونات بتوصيل التيار، مما يضعف أو يدمر التأثير الكمي الخاص.
هل هناك طريقة للتغلب على ذلك؟
نعم، من خلال إجراء مثل هذه التجارب في ظل ظروفدرجات حرارة منخفضة بشكل استثنائي - عند الصفر المطلق أو نحو ذلك. عند درجات الحرارة المنخفضة هذه بشكل لا يصدق، تتوقف الجسيمات الذرية ودون الذرية عن الاهتزاز، وبالتالي يسهل التعامل معها. ومع ذلك، فإن إنشاء بيئة شديدة البرودة والحفاظ عليها أمر غير عملي بالنسبة للعديد من التطبيقات؛ فهي باهظة الثمن ومرهقة وتتطلب كمية هائلة من الطاقة.
ماذا فعل العلماء؟
لقد طور الفيزيائيون طريقة مبتكرة للتحايلمشكلة. لقد ابتكروا نوعًا جديدًا من العوازل الطوبولوجية من بروميد البزموت (الصيغة الكيميائية α-Bi 4 Br 4). وهو مركب بلوري غير عضوي يستخدم أحيانًا لتنقية المياه والاختبارات الكيميائية. وكما لاحظ مؤلفو الدراسة، فإن المادة لا تتطلب ضغطًا هائلاً أو مجالًا مغناطيسيًا فائقًا.
واعتمد العلماء في دراستهم علىتأثير هول الكمي هو شكل من أشكال التأثير الطوبولوجي الذي اكتشفه كلاوس فون كليتسينج في عام 1980، والذي حصل على جائزة نوبل بعد خمس سنوات. منذ ذلك الحين، تمت دراسة المراحل الطوبولوجية بشكل مكثف. اكتشف العلماء العديد من الفئات الجديدة من المواد الكمومية ذات الهياكل الإلكترونية الطوبولوجية، بما في ذلك العوازل الطوبولوجية، والموصلات الفائقة الطوبولوجية، والمغناطيس الطوبولوجي، وأشباه المعادن. طيفها الإلكتروني هو نظير ثلاثي الأبعاد لطيف الجرافين.
آخر قطعة من اللغز
لتحقيق التكمية في درجة حرارة الغرفة ، استخدم العلماء شبكة kagome.
مصطلح شبكة kagome صاغه فيزيائي ياباني.ظهرت لأول مرة في مقال عام 1951 كتبه إيشيرو شوجي تحت إشراف فوشيمي. تتكون شبكة kagomes من قمم وحواف فسيفساء ثلاثية السداسية. وخلافا للاسم، فإن هذه التقاطعات لا تشكل شبكة رياضية. وفي المقابل، فإن الفسيفساء الثلاثية السداسية هي واحدة من 11 فسيفساء متجانسة على المستوى الإقليدي مكونة من مضلعات منتظمة. تتكون الفسيفساء من مثلثات منتظمة وأشكال سداسية منتظمة، تم ترتيبها بحيث يحيط بكل شكل سداسي مثلثات، والعكس صحيح. يأتي اسم الفسيفساء من حقيقة أنها تجمع بين فسيفساء سداسية منتظمة وفسيفساء مثلثة عادية.
العوازل الطوبولوجية على شبكة كاجومييمكن تصميمها بحيث تحتوي على معابر نطاق نسبية وتفاعلات قوية بين الإلكترون والإلكترون. وكلاهما ضروري لنوع جديد من المغناطيسية.
شعرية كاغومي. المؤلف: N.Mori
لذلك أدرك العلماء أن مغناطيس الكاجومي موجودنظام واعد للبحث عن المراحل المغناطيسية الطوبولوجية. إنها تشبه في حد ذاتها العوازل الطوبولوجية - فالأمر كله يتعلق بالكيمياء الذرية المناسبة والتصميم الهيكلي.
إلى أين يقودنا؟
يعتقد الباحثون أن اختراقهم سيؤدي إلى تطوير تقنية الكم والنانو.
سيكون لإنشاء عازل جديد تأثير خاصلتطوير تقنيات الكم الجيل القادم. ويعتقد الباحثون أيضًا أن هذا الاختراق سيسرع من تطوير مواد كمومية أكثر كفاءة و"خضراء".
ما التالي؟
وفقًا للعلماء ، الآن يتركز التركيز النظري والتجريبي لفريق البحث في اتجاهين.
أولا، يريد العلماء أن يفهموا ما هو الآخريمكن للمواد الطوبولوجية أن تعمل في درجة حرارة الغرفة. والأهم من ذلك، تزويد الخبراء الآخرين بالأدوات وتقنيات القياس الجديدة لتحديد المواد التي سيكون أداؤها في الغرفة ودرجات الحرارة المرتفعة.
قراءة المزيد:
أكد علماء الآثار رسمياً الأساطير من الكتاب المقدس
اتضح ما يحدث لخلايا الجسم عند موت القلب
تم اختراق إشارة Starlink لاستخدامها كبديل لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS)