ایجاد حالت کوانتومی عجیب در دمای اتاق

عایق توپولوژیک ماده‌ای است که ساختار آن، الکترون‌ها را به روشی منحصر به فرد هدایت می‌کند. بخش عمده‌ای از این ماده عایق است که به طور کامل از جریان یافتن الکترون‌ها جلوگیری می‌کند. با این وجود، لایه‌های نازکی در سطح و امتداد لبه‌های آن وجود دارند که بسیار رسانا هستند و به الکترون‌ها اجازه می‌دهند آزادانه با راندمان بالا جریان داشته باشند. با توجه به این ویژگی‌های عجیب، عایق‌های توپولوژیک می‌توانند میزبان برخی از حالت‌های کوانتومی جذابی باشند که برای ساخت فناوری‌های کوانتومی در آینده مفید هستند.

اما یک مشکل وجود دارد. اکثر حالت‌های کوانتومی بسیار آسیب‌پذیر هستند و هنگام بروز اختلال دچار فروپاشی می‌شوند. گرما یا اختلال حرارتی یک محرک اصلی در این مورد است. زمانی که مواد گرم‌تر می‌شوند، اتم‌های موجود در آنها با انرژی‌های بالاتر مرتعش شده و حالت کوانتومی را مختل می‌کنند. به این ترتیب، بیشتر آزمایش‌ها و فناوری‌هایی که از اثرات کوانتومی استفاده می‌کنند باید در دمای نزدیک به صفر مطلق انجام شوند، جایی که حرکت اتم‌ها به سرعت کند می‌شود. اما این به نوبه خود باعث می‌شود که استفاده گسترده‌تر از این فناوری‌ها غیر ممکن باشد.

در مطالعه‌ای جدید، محققان پرینستون راهی برای حل این مشکل پیدا کردند و شاهد اثرات کوانتومی در یک عایق توپولوژیک در دمای اتاق بودند. ماده انتخابی آنها یک ترکیب کریستالی معدنی به نام بیسموت برمید بود.
مشخص شده است که این ماده دارای "شکاف انرژی"(Band gap) مناسب است. یا به زبان دیگر یک "مانع" عایق است که در آن الکترون‌ها نمی‌توانند با سطوح انرژی خاصی وجود داشته باشند. این شکاف انرژی باید به اندازه کافی گسترده باشد تا در برابر اختلال حرارتی محافظت ایجاد کند، اما آنقدر گسترده نباشد که اثر جفت شدگی مدار چرخشی الکترون‌ها را مختل کند. اثری که برای پایدار نگه داشتن آنها حیاتی است. مشخص شد که بیسموت برومید دارای شکاف انرژی بیش از ۲۰۰ میلی الکترون ولت است، درست در نقطه‌ای که می‌تواند حالت کوانتومی را در دمای اتاق، ثابت نگه دارد.

این گروه با مشاهده آنچه که حالت لبه‌ای اسپین هال کوانتومی(spin hall) نامیده می‌شود و ویژگی منحصر به فرد این سیستم‌های توپولوژیک است، یافته‌های خود را تایید کردند.محققان می‌گویند که این پیشرفت برای پیشبرد فناوری‌های کوانتومی مانند اسپین‌ترونیک مفید خواهد بود. اسپین‌ترونیک علم استفاده از اسپین الکترونها در الکترونیک است.نانا شومیا(Nana Shumiya) ، نویسنده اول این مطالعه می‌گوید: من معتقدم که کشف ما، مرزهای کوانتوم را به میزان قابل توجهی جابه‌جا خواهد کرد.این تحقیق در مجله "Nature Materials" منتشر شده است.