פיזיקאים גילו מצבים קוונטיים חדשים של חומר עבור טכנולוגיות עתידיות

חוקרים מאוניברסיטת רייס בראשות Qimiao Xi גילו מצב קוונטי ייחודי של חומר שעשוי לשלב שני תחומי מפתח בפיסיקה: חומר קוונטי וטופולוגיה אלקטרונית.

תגלית זו שפורסמה ב- Nature Physics עשויה להפוך לבסיס ליצירת מכשירים קוונטיים חדשים, כולל חיישנים מדויקים במיוחד, מערכות מחשוב חסכוניות באנרגיה וחומרים חדשים.

חשיבות קוונטית וטופולוגית

הגבול הקוונטי מתאר את התנהגותם של אלקטרונים כשהם נעים בין שלבים שונים, כמו מים שעומדים לקפוא או לרתוח. טופולוגיה בפיזיקה קוונטית חוקרת את התצורה היציבה של פונקציית הגל האלקטרוני שנשמרת כאשר מבנה החומר משתנה. בעבר, תופעות אלו נחקרו בנפרד: טופולוגיה נמצאה בחומרים בעלי אינטראקציות חלשות, וקריטיות נמצאה במערכות עם אלקטרונים בקורלציה גבוהה.

הצוות של שי הציע מודל תיאורטי המשלב את ההשפעות הללו. הם הראו שאינטראקציות חזקות בין אלקטרונים יכולות ליזום התנהגות טופולוגית, וליצור מצב היברידי.

אישור בדיקה

המסקנות התיאורטיות אושרו על ידי נסיינים מהאוניברסיטה הטכנית של וינה בהנהגתה של Silke Paschen. הם חקרו חומר עם פרמיונים כבדים – האלקטרונים שבו מתנהגים כמו חלקיקים הרבה יותר מסיביים בגלל אינטראקציות. ההתנהגות הנצפית עולה בקנה אחד עם התחזיות של הצוות התיאורטי ומראה סימנים של מצב קוונטי טופולוגי חדש.

פוטנציאל טכנולוגי

השילוב של ביקורתיות קוונטית וטופולוגיה פותח הזדמנויות לפיתוח טכנולוגיה קוונטית. תכונות טופולוגיות מספקות עמידות להשפעות חיצוניות, והביקורתיות משפרת את ההסתבכות הקוונטית, והופכת את המערכות לרגישות יותר וניתנות לשליטה. זה חשוב עבור חיישנים בעלי הספק נמוך, מוליכים והתקני מחשוב.

איך זה יעזור ליצור חומרים חדשים?

גילוי זה מאפשר חיפוש או עיצוב שיטתי של חומרים בנקודה הקריטית הקוונטית ומסוגל ליצור מבנים טופולוגיים. גישה זו נותנת למדענים כלי לפיתוח חומרים בעלי תכונות קוונטיות הניתנות לחיזוי ופוטנציאל לשפר ביצועים עבור אלקטרוניקה וחיישנים.