Breaking News

Breaking

Post Top Ad

Your Ad Spot

Monday, March 7, 2022

تقلبات الفراغ تكسر الحماية الطوبولوجية

تقلبات الفراغ تكسر الحماية الطوبولوجية - قسم الفيزياء

تقديم مرنان تكميلي ذو حلقة مشقوقة يتضمن قضيب هول. يتم تحديد الرنان بواسطة طبقة الذهب المعدنية الخارجية ، ويتم إدخال غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد داخل المنطقة بدون معدن. اليسار: لمحة عن المجال الكهربائي الفراغي. إلى اليمين: رسم تخطيطي لقنوات التوصيل الحافة. الائتمان: ETH Zurich / D-PHYS Faist group، Felice Appugliese

السمة المميزة لما يسمى بالحالات الكمومية الطوبولوجية هي أنها محمية من الاضطرابات المحلية. يثبت علماء الفيزياء في ETH الآن أنه في الحالة النموذجية لتأثير هول الكمي الصحيح ، يمكن أن تتسبب تقلبات الفراغ في انهيار الحماية الطوبولوجية.

“حتى عام 1980 لم يتوقع أحد وجود تأثير مثل تأثير هول الكمي ، والذي يعتمد حصريًا على الثوابت الأساسية ولا يتأثر بالمخالفات في أشباه الموصلات مثل الشوائب أو تأثيرات الواجهة.” هكذا تحدث الفيزيائي الألماني كلاوس فون كليتزينج بشأن حصوله على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1985. اشتهر باكتشافه ، في عام 1980 ، لنسخة كمية لتأثير هول في غازات الإلكترون ثنائية الأبعاد. القوة غير المتوقعة لـ “تأثير هول الكمي الصحيح” ، كما أصبح معروفًا ، مكَّنت في الواقع من اكتشاف فون كليتزينج في المقام الأول. كان يعمل مع أشباه الموصلات – المواد التي اشتهرت بعيوبها – لكنه لاحظ بشكل مذهل تكميمًا “نظيفًا” لموصلية هول. تم شرح حقيقة أن مثل هذه الأنظمة الكمومية يمكن حمايتها بشكل جيد ضد الاضطرابات المحلية لاحقًا في إطار الخصائص الطوبولوجية لحالات الأجسام المتعددة الإلكترونية. لكن هذه الحماية يمكن أن تنهار بطرق غير متوقعة ، كما أفادت الآن مجموعة البروفيسور جيروم فايست في معهد الإلكترونيات الكمية. الكتابة علمقدموا تجارب أثبتوا فيها أن تعريض نظام القاعة الكمومية لتقلبات الفراغ الكمومية المعززة بقوة في تجويف ضيق يوفر طريقًا جديدًا وربما عامًا لتعديل الحالات الكمومية بشكل كبير. قد تؤدي “هندسة المجال الفراغي” هذه إلى قدرة تجريبية جديدة – ولكنها قد تسبب أيضًا تداخلاً غير مرغوب فيه في التجارب التي تجمع بين المواد ثنائية الأبعاد والرنانات.

التحكم بهندسة مجال الفراغ

هذا الفضاء “الفارغ” مليء بتقلبات الفراغ الكهرومغناطيسية هي واحدة من أكثر الجوانب الجذابة لنظريات المجال الكمومي. منذ فترة طويلة ، لوحظت مظاهر الحقول الفراغية تجريبياً ، على سبيل المثال في شكل الانبعاث التلقائي ، وتحول الحمل وتأثير كازيمير. لكن الاستشعار المباشر لهذه الحقول لم يتحقق إلا في السنوات الأخيرة ، وعلى الأخص في عام 2019 عمل مجموعة Faist حيث حددوا الخصائص الطيفية لتقلبات المجال الفراغي. من الأسئلة المثيرة للاهتمام التي ظهرت من هذا النوع من العمل ، في زيورخ وأماكن أخرى ، ما إذا كان يمكن تسخير الحقول الفراغية لتعديل خصائص المواد بطريقة مضبوطة. في عمل سابق ، وجد تعاون بين علماء فيزياء ETH مؤشرات على ذلك بالضبط ، عند قياس النقل المغناطيسي في مادة شبه موصلة مقترنة بتجويف. ومع ذلك ، في هذه التجارب ، اعتمدت توقيعات التعديل على العينة نفسها ، وكان لا بد من قياس عينات فيزيائية مختلفة لمقارنة المواقف التي تم فيها تعديل الخصائص بواسطة حقول الفراغ إلى سيناريو “غير معدل”.

تحولت الآن طالبة الدكتوراه فيليس أبوجليس وزملاؤها في مجموعة فايست إلى نظام في نظام هول الكمي الصحيح ، حيث تضمن الحماية الطوبولوجية المتانة وبالتالي تزيل بعض الاعتماد على العينة المحددة المستخدمة. في تجاربهم ، قاموا بوضع عينات Hall-bar في الحدود الضيقة للتجويف النانوي البصري ، بأبعاد أقل بكثير من الطول الموجي للضوء المعني. تتوسط هذه التجاويف اقترانًا قويًا جدًا بين حالات الضوء والمادة ، مما يوفر مسبارًا ضوئيًا عالي الحساسية لحالات الجسم المتعددة الكمي. على مدى العقد الماضي ، أتقن الفريق حول Faist و Giacomo Scalari ، وهو الآن أستاذ مساعد في المجموعة ، مثل هذه التجاويف (ما يسمى تجاويف الحلقة المشقوقة) للوصول إلى أدوات اقتران المادة الخفيفة القياسية. الأهم من ذلك ، أن الحبس ذو الطول الموجي الفرعي يعزز أيضًا تقلبات مجال الفراغ ، مما يتيح تعديل تأثيرها على المادة وتوفير طريق لـ “هندسة المجال الفراغي”. تم عرض هذا بالفعل في العمل السابق ، لكن الأساس الصلب كان مفقودًا.

خارج المسار

للمقارنة المباشرة Appugliese et al. صنع واختبار عينة مرجعية بدون تجويف وعينة مع تجويف على نفس الشريحة. في العينة المرجعية ، قاموا بقياس تسلسل الدرج الجميل للهضاب العريضة في المقاومة التي شاهدها فون كليتزينج لأول مرة. ومع ذلك ، في العينة ذات التجويف ، رأوا انحرافات واضحة عن هذا العدد الصحيح (انظر الشكل أعلاه). يمكن تفسير ذلك في إطار عمل نظريتهما كريستيانو سيوتي في جامعة باريس. في جوهره ، يتوسط التجويف ديناميكيات طويلة المدى يتم فيها اقتران حالات الحافة المقابلة في النهاية ، مما يفتح قناة يمكن من خلالها تشتيت الإلكترون ، وبالتالي كسر الحماية الطوبولوجية. على النقيض من ذلك ، فإن التفاعل قصير المدى مثل الشوائب لا يمكن أن ينتج عنه تشتت.

ذهب أبوجليس وزملاؤه خطوة أخرى إلى الأمام وقاموا بتعديل الحقل داخل الرنان بسطح معدني ، ووضعوه على مسافات متفاوتة من العينة. لم يكتفوا بهذه الطريقة فقط لإثبات التعديل الناجم عن حقل الفراغ لحالة القاعة الكمومية دون أي عينة مرجعية ، بل قدموا أيضًا تلميحًا حول كيفية تعديل التأثيرات الكمومية للعديد من الأجسام بشكل يمكن التحكم فيه. هذه النتائج هي أيضًا تذكير بأن المنصات التي تجمع بين المواد ثنائية الأبعاد وهياكل الرنان – التي تُستخدم بشكل متزايد في مجالات مختلفة من الفيزياء – يمكن أن تكون عرضة لتأثيرات التداخل غير المرغوب فيها. قد يمتد هذا التحذير أيضًا إلى المواقف التي لا تحتوي على تجاويف. تعمل عينات Quantum Hall ، بفضل التكميم الدقيق الذي توفره ، كمعيار للمقاومة الكهربائية (حيث يُعرف كم المقاومة باسم ثابت von Klitzing) وكمسبار عالي الدقة للثوابت الأساسية. نظرًا لأن المساحة الحرة تتخللها تقلبات الفراغ ، فمن المعقول أن هذه الحقول تحد في النهاية من دقة مثل هذه المعايير.


التقدم والآفاق في المواد الطوبولوجية المغناطيسية


معلومات اكثر:
Felice Appugliese وآخرون ، انهيار الحماية الطوبولوجية بواسطة حقول فراغ التجويف في تأثير هول الكمي الصحيح ، علم (2022). DOI: 10.1126 / science.able5818

Ileana-Cristina Benea-Chelmus et al ، قياسات ارتباط المجال الكهربائي في حالة الفراغ الكهرومغناطيسي ، طبيعة (2019). دوى: 10.1038 / s41586-019-1083-9

جيان إل بارافيسيني-باجلياني وآخرون ، نقل مغناطيسي تتحكم فيه دول لانداو بولاريتون ، فيزياء الطبيعة (2018). DOI: 10.1038 / s41567-018-0346-y

الاقتباس: تقلبات الفراغ تكسر الحماية الطوبولوجية (2022 ، 4 مارس) تم استردادها في 7 مارس 2022 من https://phys.org/news/2022-03-vacuum-fluctuations-topological.html

هذا المستند عرضة للحقوق التأليف والنشر. بصرف النظر عن أي تعامل عادل لغرض الدراسة أو البحث الخاص ، لا يجوز إعادة إنتاج أي جزء دون إذن كتابي. يتم توفير المحتوى لأغراض إعلامية فقط.

No comments:

Post a Comment

Powered by Blogger.

Search This Blog

Post Top Ad