นักวิทยาศาสตร์ใช้ฉนวนทอพอโลยีเพื่อแสดงผลควอนตัมมานานกว่าทศวรรษ แต่...
ฟิสิกส์ควอนตัมและโทโพโลยี - ร่วมกัน
ในปีที่ผ่านมามีการศึกษาเกี่ยวกับทอพอโลยีสถานะของสสารดึงดูดความสนใจของนักฟิสิกส์และวิศวกรทั่วโลก สาขาวิชานี้ผสมผสานฟิสิกส์ควอนตัมเข้ากับโทโพโลยี ซึ่งเป็นสาขาหนึ่งของคณิตศาสตร์เชิงทฤษฎีที่ศึกษาคุณสมบัติทางเรขาคณิตที่สามารถเปลี่ยนรูปได้แต่ไม่ได้เปลี่ยนแปลงโดยพื้นฐาน คุณสมบัติทอพอโลยีของสสารมีความสำคัญทั้งจากมุมมองของฟิสิกส์พื้นฐานและสำหรับการประยุกต์ในวิศวกรรมควอนตัมและนาโนเทคโนโลยีรุ่นต่อไป
พื้นฐานของโทโพโลยีควอนตัม
ส่วนประกอบหลักของอุปกรณ์ที่ใช้สำหรับการวิจัยเกี่ยวกับความลึกลับของโทโพโลยีควอนตัม - ฉนวนทอพอโลยี อุปกรณ์พิเศษนี้ทำหน้าที่เป็นฉนวนที่ด้านใน ซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนภายในไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ จึงไม่นำไฟฟ้า
แต่อิเล็กตรอนที่ขอบของอุปกรณ์ก็เป็นอิสระเคลื่อนที่และเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ด้วยคุณสมบัติพิเศษของโทโพโลยี อิเล็กตรอนที่ไหลไปตามขอบจะไม่ถูกรบกวนจากข้อบกพร่องหรือการเสียรูปใดๆ อุปกรณ์ใหม่นี้ไม่เพียงแต่สามารถปรับปรุงเทคโนโลยีในอนาคตเท่านั้น แต่ยังให้ความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับสสารด้วยการสำรวจคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของควอนตัม
อะไรคือปัญหา?
ยังคงใช้วัสดุและอุปกรณ์สำหรับการใช้งานจริงในอุปกรณ์ที่ใช้งานได้จริงนั้นมีปัญหา ทั้งหมดนี้เกิดจากสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยของโทโพโลยีควอนตัม ใช่ ขณะนี้มีความสนใจอย่างมากในวัสดุทอพอโลยี และผู้คนมักพูดถึงศักยภาพที่ยอดเยี่ยมสำหรับการใช้งานจริง แต่จนกว่าผลกระทบเชิงทอพอโลยีควอนตัมขนาดมหภาคจะปรากฏที่อุณหภูมิห้อง ทั้งหมดนี้จะยังคงเป็นเพียงความฝัน
ปัญหาอยู่ที่สภาพแวดล้อมหรือที่สูงอุณหภูมิสร้างสิ่งที่นักฟิสิกส์เรียกว่า "สัญญาณรบกวนความร้อน" พูดง่ายๆ ก็คืออุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นซึ่งอะตอมเริ่มสั่นสะเทือนอย่างรุนแรง สิ่งนี้สามารถรบกวนการทำงานของระบบควอนตัมที่ละเอียดอ่อน และทำลายสถานะควอนตัมเอง
โดยเฉพาะอย่างยิ่งในฉนวนทอพอโลยีเหล่านี้อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะสร้างสถานการณ์ที่อิเล็กตรอนบนพื้นผิวของฉนวนแทรกซึมเข้าไปในด้านในของฉนวน สิ่งนี้ทำให้อิเล็กตรอนนำกระแสไฟฟ้า ซึ่งทำให้เอฟเฟกต์ควอนตัมพิเศษอ่อนลงหรือทำลาย
มีวิธีแก้ไขปัญหานี้หรือไม่?
ใช่ โดยทำการทดลองดังกล่าวภายใต้เงื่อนไขต่างๆอุณหภูมิต่ำเป็นพิเศษ - ที่ศูนย์สัมบูรณ์หรือประมาณนั้น ที่อุณหภูมิต่ำอย่างไม่น่าเชื่อเหล่านี้ อนุภาคอะตอมและอนุภาคย่อยจะหยุดการสั่นสะเทือน และดังนั้นจึงง่ายต่อการจัดการ อย่างไรก็ตาม การสร้างและรักษาสภาพแวดล้อมที่มีความเย็นเป็นพิเศษนั้นทำไม่ได้สำหรับหลายๆ แอปพลิเคชัน มันมีราคาแพง ยุ่งยาก และต้องใช้พลังงานจำนวนมาก
นักวิทยาศาสตร์ได้ทำอะไร?
นักฟิสิกส์ได้พัฒนาวิธีการใหม่ในการหลีกเลี่ยงปัญหา. พวกเขาสร้างฉนวนทอพอโลยีรูปแบบใหม่จากบิสมัทโบรไมด์ (สูตรทางเคมี α-Bi 4 Br 4) เป็นสารประกอบผลึกอนินทรีย์ที่บางครั้งใช้สำหรับการทำน้ำให้บริสุทธิ์และการทดสอบทางเคมี ในฐานะผู้เขียนรายงานการศึกษา วัสดุนี้ไม่ต้องการแรงกดดันมหาศาลหรือสนามแม่เหล็กสูงเป็นพิเศษ
ในการศึกษาของพวกเขานักวิทยาศาสตร์อาศัยเอฟเฟกต์ควอนตัมฮอลล์เป็นรูปแบบหนึ่งของผลกระทบเชิงทอพอโลยีที่เคลาส์ ฟอน คลิทซิงค้นพบในปี 1980 ซึ่งเขาได้รับรางวัลโนเบลในอีกห้าปีต่อมา นับตั้งแต่นั้นมา ระยะของทอพอโลยีได้รับการศึกษาอย่างเข้มข้น นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบวัสดุควอนตัมประเภทใหม่ๆ จำนวนมากที่มีโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์เชิงทอพอโลยี รวมถึงฉนวนทอพอโลยี ตัวนำยิ่งยวดของทอพอโลยี แม่เหล็กทอพอโลยี และโลหะกึ่งโลหะไวล์ สเปกตรัมอิเล็กทรอนิกส์ของพวกเขาเป็นอะนาล็อกสามมิติของสเปกตรัมของกราฟีน
จิ๊กซอว์ชิ้นสุดท้าย
เพื่อให้ได้การหาปริมาณที่อุณหภูมิห้อง นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้โครงตาข่ายคาโงเมะ
คำว่า kagome lattice ได้รับการประกาศเกียรติคุณจากนักฟิสิกส์ชาวญี่ปุ่นปรากฏครั้งแรกในบทความปี 1951 ที่เขียนโดยอิชิโระ โชจิ ภายใต้การดูแลของฟูชิมิ โครงตาข่ายคาโกเมสประกอบด้วยจุดยอดและขอบของโมเสกรูปสามเหลี่ยมหกเหลี่ยม ตรงกันข้ามกับชื่อ จุดตัดเหล่านี้ไม่ได้ก่อให้เกิดโครงตาข่ายทางคณิตศาสตร์ ในทางกลับกัน โมเสกรูปสามเหลี่ยมเป็นหนึ่งในโมเสกที่เป็นเนื้อเดียวกัน 11 ชิ้นบนระนาบยูคลิดที่ทำจากรูปหลายเหลี่ยมปกติ โมเสกประกอบด้วยรูปสามเหลี่ยมปกติและรูปหกเหลี่ยมปกติ ซึ่งจัดเรียงเพื่อให้รูปหกเหลี่ยมแต่ละรูปล้อมรอบด้วยรูปสามเหลี่ยม และในทางกลับกัน ชื่อของโมเสกมาจากการที่มันรวมโมเสกหกเหลี่ยมปกติและโมเสกสามเหลี่ยมปกติเข้าด้วยกัน
ฉนวนทอพอโลยีบนตาข่ายคาโกเมะสามารถออกแบบให้มีการข้ามแถบความสัมพันธ์และปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนกับอิเล็กตรอนที่รุนแรง ทั้งสองอย่างจำเป็นสำหรับแม่เหล็กชนิดใหม่
คาโงเมะตาข่าย. ผู้เขียน : น.โมริ
ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงตระหนักว่าแม่เหล็กคาโงเมะนั้นเป็นระบบที่มีแนวโน้มในการค้นหาเฟสแม่เหล็กทอพอโลยี พวกมันเองก็คล้ายกับฉนวนทอพอโลยี - มันเป็นเรื่องของเคมีอะตอมและการออกแบบโครงสร้างที่เหมาะสม
มันนำไปสู่ที่ไหน?
นักวิจัยเชื่อว่าความก้าวหน้าของพวกเขาจะนำไปสู่การพัฒนาควอนตัมและนาโนเทคโนโลยี
การสร้างฉนวนใหม่จะมีผลกระทบเป็นพิเศษเพื่อการพัฒนาเทคโนโลยีควอนตัมเจเนอเรชั่นถัดไป นักวิจัยยังเชื่อว่าความก้าวหน้าดังกล่าวจะช่วยเร่งการพัฒนาวัสดุควอนตัม "สีเขียว" ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น
ถัดไปคืออะไร
ตามที่นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าขณะนี้จุดเน้นทางทฤษฎีและการทดลองของทีมวิจัยมีความเข้มข้นในสองทิศทาง
ก่อนอื่นนักวิทยาศาสตร์ต้องการทำความเข้าใจอะไรอีกวัสดุทอพอโลยีสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิห้อง และที่สำคัญ จะต้องจัดหาเครื่องมือและเทคนิคการวัดใหม่ๆ ให้กับผู้เชี่ยวชาญคนอื่นๆ เพื่อระบุวัสดุที่จะใช้งานได้ที่อุณหภูมิห้องและอุณหภูมิสูง
อ่านเพิ่มเติม:
นักโบราณคดีได้ยืนยันตำนานจากพระคัมภีร์อย่างเป็นทางการแล้ว
ปรากฎว่าเกิดอะไรขึ้นกับเซลล์ของร่างกายเมื่อหัวใจตาย
สัญญาณ Starlink ถูกแฮ็กเพื่อใช้เป็นทางเลือกแทน GPS