تاریخ نشر: بیستم مارچ ۲۰۱۹ 

منبع: آزمایشگاه ملی لاورنس برکلی

خلاصه: گروهی از محققان تاکنون قوی ترین سازنده توپولوژیکی را در قالب نمونه های نازک کریستالی که دارای ساختار مارپیچی-پله ای هستند کشف کرده اند.

کشف موادی به اصطلاح توپولوژیک که خواص مقاوم در برابر عیوب و نقایص را نشان میدهد و انتظار میرود که کاربردهای در الکترونیک، اپتیک، محاسبات کوانتومی و سایر زمینه ها داشته باشد، و این کشف قلمرو جدیدی را در کشف مواد جدید به وجود آورده است.

تعدادی زیادی از مواد توپولوژیکی مورد مطالعه تا به امروز، به عنوان عایق های توپولوژیکی شناخته شده اند. سطوح آنها الکتریسیته را با مقاومت بسیار کمی هدایت می دهد که به نوعی به ابررساناها شباهت دارد، اما بدون نیاز به دمای بسیار سرد است، در حالی که مواد داخلی آنها که «فله» نامیده می شود، هیچ جریانی از خود عبور نمی دهد.
در حال حاضر، گروهی از محققانی که در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی وزارت انرژی (آزمایشگاه برکلی) کار می کنند، قوی ترین سازنده توپولوژیک را در شکل نمونه های نازک کریستالی که دارای ساختار پله مارپیچی هستند کشف کرده است. مطالعه گروهی کریستالها، به نام کریستالهای کروی توپولوژیک، در بیستم جنوری در مجله نچر منشر گردید.
نمونه کریستال که در تحقیقات اخیر مورد توجه قرار گرفته است، نشان می‌دهد که ساختار مارپیچی یا دی ان ای مانند آن، یا هلیکوئید آن، کیرالیت یا "دستی" است و مانند یک فرد میتواند چپ دست یا راست دست باشد و دست چپ یک تصویر آینه ای از دست راست است. خواص کیرالیتی در برخی موارد می‌تواند یک تلنگر باشد، مانند یک فرد چپ دست که می‌تواند راست دست باشد.

This illustration shows a repeated 2D patterning of a property related to electrical conductivity, known as the surface Fermi arc, in rhodium-silicon crystal samples.
Credit: Hasan Lab/Princeton University
شکل دوبعدی از سطح قوس فرمی که ویژگی مربوط به هدایت الکتریکی را نشان می دهد.

آقای زاهد حسنن، یکی از پیشگامان مواد توپولوژیکی و یوجی هیگینز استاد فیزیک دانشگاه پرینستون است که تئوری و آزمایش مواد را به عنوان دانشمند دیدار کننده دانشکده در بخش علم مواد در آزمایشگاه برکلی رهبری می‌کند. وی می‌گوید: "در این کار جدید ما اساسا ثابت میکنیم که این حالت جدیدی از مواد کوانتومی است که خواص سطحی تقریبا ایده آل توپولوژیکی را نشان میدهد و به عنوان ترادفی از کیرالیته ساختار بلوری پیدار می‌گردد."  اندازه‌گیری یکی از ویژگیهای این مواد که هدایت توپولوژیکی را تعیین می‌کند و مربوط به هدایت الکتریکی سطح مواد است، نشان می‌دهد که این ویژگی تقریباً ۱۰۰ برابر بزرگ‌تر از آنچه که قبلاً در فلزات توپولوژیکی شناسایی شده بود، می‌باشد. این ویژگی که به عنوان سطح قوس فرمی شناخته میشود، در آزمایشات اشعه ایکس در منبع پیشرفته نور آزمایشگاهی برکلی (ALS) با استفاده از تکنیکی که به نام طیف سنجی نشر نوری یاد می‌شود مورد بررسی قرار گرفت. ALS یک سنکروترون Synchrotron است که قابلیت نوردهی از اشعه مادون قرمز تا اشعه ایکس با انرژی بالا را دارد و می‌توان همزمان در آن ده‌ها آزمایش را انجام داد.
توپولوژی یک مفهوم ریاضی معتبر است که مربوط به حفظ خواص هندسی شی است، حتی اگر یک شی به روش های دیگر کشف و یا تغییر شکل داده شود. بعضی از کاربردهای آزمایشی آن در مواد الکترونیک سه بعدی مانند کشف رفتار توپولوژیکی در ساختارهای الکترونیکی مواد است که فقط بیش از یک دهه قبل، با مشارکت اولیه و مداوم آزمایشگاه برکلی انجام شده بود. حسن افزود، "بعد از، بیش از 12 سال تحقیق در فیزیک و مواد توپولوژیکی، من معتقدم که این تنها نوک کوه یخ است." "بر اساس اندازه گیری های ما، این قوی ترین و با کیفیت ترین هادی فلزی محافظت شده است که هر کس کشف کرده است، ما را به مرز جدید می برد."

معنای حفاظت توپولوژیکی آن است که برخی از خواص مواد به طور قابل اعتماد ثابت است حتی اگر مواد کامل هم نباشد. این کیفیت همچنین امکان استفاده از کاربرد های عملی و قابلیت تولید این نوع مواد در آینده را افزایش می دهد.

ایلیا بلولپولسی، محقق پرینستون که در تئوری و کار تجربی مشارکت داشته است، اشاره کرد که یکی از خصوصیات جالب کریستالهای مورد مطالعه که شامل کریستالهای کبالت سیلیکون و کریستال ردیوم سیلیکون است این است که آنها می توانند جریان الکتریکی ثابت را هنگامی که شما درخشش نور بر روی آن‌ها را مشاهده میکنید، عبور دهد. او گفت: "نظریه های قبلی ما نشان داد که بر اساس خواص الکترونیکی مواد که ما اکنون مشاهده می کنیم جریان در مقادیر خاص ثابت می‌باشد." "مهم نیست که نمونه بزرگ است یا کثیف است. این یک مقدار جهانی است. شگفت انگیز است. برای تمام برنامه های کاربردی، عملکرد یکسان خواهد بود." 

Professor M. Zahid Hasan, the discoverer of mass less particle, Weyl fermion
پروفسور زاهد حسن فیزیکدان بنگلدیشی و استاد دانشگاه پرینستون

در آزمایش های قبلی در ALS، تیم حسن، وجود یک نوع ذرات نیمه جامد(quasi particles) بدون جرم به نام فریمون های وایل را نشان داد که فقط در حدود 85 سال به صورت نظری وجود داشت. فریمون های وایل، که در کریستال های مصنوعی نیمه رسانایی به نام آتانسیم تانتالوم دیده میشود، خواص مشابهی را در مقایسه با کریستال های مورد استفاده در آخرین مطالعه نشان میدهد، اما ویژگی های کروی آنها کمبود دارند. نیمه رساناها مواد هستند که برخی خواص آن‌ها فلزی و برخی از خواص آن‌ها غیر فلزی هستند.

حسن گفت: "کار قبلی ما در نیمه رسانای وایل، راه تحقیق در مورد سرنشینان توپولوژی عجیب و غریب را ترسیم کرد. تیم مطالعات حسن در یک مطالعه در ماه نوامبر 2017 که بر روی نظریه پیرامون این مواد عجیب و غریب متمرکز بود، پیش بینی کرد که الکترونها در ردیوم سیلیکون و بسیاری از مواد مرتبط با آن به شیوه های بسیار غیر معمول رفتار می‌کنند. این تیم پیش بینی کرده بود که این شبهذرات در مادهی که توسط حرکت جمعی الکترونها شرح داده میشوند مانند الکترونهای بدون جرم ظاهر می‌شوند و باید مانند ذرات کوچکتر 3D، با دستکاری قطعی یا ویژگی‌های  کریلالیتی، بر خلاف مقره های توپولوژیکی یا گرافن رفتار کنند.
همچنین محاسبات آنها، منتشر شده در اکتبر 1، 2018 در مجله Nature Materials، نشان میدهد که الکترون ها در کریستال ها به صورت جمعی رفتار می‌کنند مثل اینکه آنها در موقع حرکت تک قطبی مقناطیسی هستند. تک قطبی مقناطیسی ذرات فرضی هستند با یک قطب مغناطیسی تنها، مانند زمین بدون قطب جنوب است که می تواند مستقل از یک قطب شمال حرکت کند. حسن اشاره کرد که همه این رفتار توپولوژیک غیرمعمول دوباره ماهیت کیرال نمونه های کریستال را، که ساختار الکترونیک مارپیچی یا "هلیکوئیدی" را ایجاد می کنند، نشان می دهد.

نمونه های مورد مطالعه که حاوی بلورهای اندازه گیری شده میباشند، تا چندین میلی متر در سرتاسر جهان، توسط چندین منبع بین المللی تهیه شده است. این کریستال ها توسط گروه حسن در آزمایشگاه پرینستون برای مواد کوانتومی توپولوژیک و پیشرفته اسپکتروسکوپی، با استفاده از میکروسکوپ تونل زنی در دمای پایین اسکن شده و مشخص شد که می تواند نمونه ها را در مقیاس اتمی اسکن کند و سپس نمونه ها به آزمایشگاه برکلی منتقل شدند.

پیش از مطالعه در ALS، نمونه ها در یک کاردستی معدنی علمی نانومقیاس، در آزمایشگاه برکلی آزمایشگاه Molecular Foundry انجام شد. دانیل سانچز و تایلر کوکران، محققان پرینستون که به مطالعه کمک کرده اند، گفتند که نمونه هایی برای چنین مطالعات معمولا "شکسته شده" هستند و یا شکسته می‌شوند، به طوری که انگار آنها اتمی هستند. اما در این مورد، باند کریستال بسیار قوی بود، زیرا کریستال ها دارای شکل مکعبی هستند. به همین ترتیب، اعضای تیم با کارکنان در Foundry Molecular مشغول به کار شدند تا آتروفهای آرگون با انرژی بالا را در نمونه های کریستال برای تمیز کردن و صاف کردن آن‌ها آماده کنند، و سپس نمونه ها را از طریق یک فرایند گرم، دوباره جلا دادند.
محققان از دو روش اشعه ایکس اشعه ایکس در ALS (Beamline 10.0.1 و Beamline 4.0.3) برای کشف خواص الکترونیک و اسپین غیر معمول نمونه های کریستال استفاده کردند. از آنجا که رفتار الکترونیک نمونه در ساختار کریستال ها شبیه سازی شده است، حسن گفت که بسیاری از راه های دیگری برای کشف وجود دارد، مانند آزمایش اینکه آیا می توان ابررسانایی را از طریق مواد دیگر به هادی توپولوژی منتقل کرد یانه. او گفت، "این میتواند به یک نوع جدید ابررسانا منجر شود" یا "در حقیقت کاوش یک اثر کوانتومی جدید باشد". آیا ممکن است یک ابررسانای توپولوژیک کریالیته داشته باشیم؟ "حسن گفت: همچنین در حالی که خواص توپولوژی مشاهده شده در بلورهای ردیوم سیلیکون و کبالت سیلیکون آخرین مطالعه ایده آل هستند، مواد دیگری نیز وجود دارد که شناسایی شده است و میتواند مورد بررسی قرارگیرد تا پتانسیل بالقوه آنها برای عملکرد بهتر برای کاربردهای واقعی در جهان روشن شود. او گفت: "به نظر می رسد فیزیک مشابه آن ممکن است و در آینده در ترکیبات دیگری که ممکن است برای دستگاه ها مناسب باشد، امکان پذیر باشد."

حسن افزود: "این رضایت عظیمی است که شما همچنین چیزی عجیب و غریب را پیش‌بینی می کنید و همچنین در آزمایش های آزمایشگاهی ظاهر می شود." حسن افزود که موفقیت های قبلی تیمش در پیش بینی خواص توپولوژیکی مواد یاد داشت کرده است. "با پیش بینی های نظری قطعی، ما تئوری و آزمایش ها را برای پیشبرد مرز دانش در نظر گرفته ایم."

 

ترجمه: آصف برخیا - آ بی کلاس 

منبع: https://www.sciencedaily.com