نیوزویز – یک تیم بین المللی از محققان، از جمله تیمی از مرکز پیشرفت نیمه فلزات توپولوژیکی (CATS)، یک مرکز تحقیقات مرزی انرژی در دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده، به رهبری آزمایشگاه ملی ایمز، به طور تجربی نوع جدیدی را نشان داده اند. اثر هال غیر خطی این اثر هال توسط متریک کوانتومی هدایت می شود که فاصله بین توابع موج الکترونیکی درون کریستال را مشخص می کند. کار آزمایشی بود به رهبری دانشمندان دانشگاه هاروارد در حالی که مدلسازی نظری در آزمایشگاه ایمز توسعه داده شد. این پروژه اولین شواهد تجربی از اثر غیرخطی هال را ارائه می دهد که تاکنون فقط نظریه پردازی شده است.
پیتر اورث، که رهبری تلاش نظری در ایمز را به عنوان بخشی از پروژه CATS بر عهده دارد، توضیح داد که مدلسازی نظری برای درک آنچه در طول آزمایش اتفاق می‌افتد ضروری است. Tais V. Trevisan، همکار Orth و فوق دکترا، از تخصص خود برای کشف تعاملات پیچیده آشکار شده توسط آزمایش ها استفاده کردند.
مواد مورد استفاده برای این مطالعه شامل منگنز-بیسموت-تلوریم (MnBi2آنها4 یا MBT). اورت توضیح داد که برای دیدن این پدیده، نمونه باید تقارن خاصی داشته باشد. اورت گفت: “اما اگر شما فقط یک MBT خالص بگیرید، این پدیده در واقع از نظر تقارن صفر است.” بنابراین آزمایش‌کنندگان لایه‌هایی از فسفر سیاه (BP) را که تقارن متفاوتی دارد، در بالا و پایین MBT اضافه کردند. BP با MBT تعامل می کند، تقارن را می شکند و منجر به پاسخ غیر خطی هال غیر صفر می شود.
به گفته اورت، هدف از این آزمایش درک منشأ اثر هال غیرخطی کوانتومی متریک بود. آنها می‌خواستند بفهمند که آیا توسط کرنش شبکه هدایت می‌شود یا با اختلاط الکترونیکی بین لایه‌های MBT و BP.
«سهم ما مدلسازی تئوری این سیستم بود. این بسیار چالش برانگیز است زیرا ما این دو ماده، MBT و BP را داریم که دارای ثابت های شبکه و تقارن های مختلف هستند. “این مانند یک چالش مهندسی است.”
وقتی دو سیستم را به هم وصل می کنید، اساساً یک شبکه دارید که به سیستم دیگر فشار وارد می کند و تقارن را کاهش می دهد. اورت توضیح داد: این مانند یک اثر است که در آن اتم ها را به اطراف حرکت می دهید. “یا می توانید جفت الکترونیکی داشته باشید به طوری که الکترون ها از یک لایه شبکه به قسمت دیگر سیستم می پرند و به عقب می پرند، و این بیشتر شبیه اختلاط حالت های الکترونیکی است.”
اورث گفت: گنجاندن هر دو کرنش شبکه و اختلاط الکترونیکی در این مدل، آن را پیچیده‌تر کرده است، “اما این اختلاط الکترونیکی برای ثبت این اثرات آزمایشی مشاهده شده بسیار مهم است.” محاسبات نشان داد که این پدیده هم از کرنش بین دو شبکه مختلف و هم از اختلاط الکترونیکی با ویژگی‌های تجربی مختلف مرتبط با این دو مکانیسم ناشی می‌شود.
این تیم توانست ثابت کند که نتایج تجربی از اثر هال غیرخطی متریک کوانتومی سرچشمه می گیرد. راب مک کوئینی، مدیر CATS و پروفسور ISU، اظهار داشت: «نتایج هسته اصلی آنچه ما در تلاش هستیم در CATS به دست آوریم است. مواد جدید با پاسخ های هیجان انگیز و قابل پیش بینی مانند اثر هال متریک کوانتومی در انتظار کشف هستند و در نهایت ممکن است به عنوان پلتفرم های آینده برای قطعات الکترونیکی یا حسگرها عمل کنند.
این تحقیق بیشتر در «اثر هال غیرخطی متریک کوانتومی در یک ساختار ناهمگن ضد فرومغناطیسی توپولوژیکینوشته شده توسط Anyuan Gao، Yu-Fei Liu، Jian-Xiang Qiu، Barun Ghosh، Thaís V. Trevisan، Yugo Onishi، Chaowei Hu، Tiema Qian، Hung-Ju Tien، Shao-Wen Chen، Mengqi Huang، Damien Bérubé، هوچن لی، کریستین تزششل، تائو دین، زه سان، شنگ چین هو، شانگ وی لین، بهادر سینگ، کنجی واتانابه، تاکاشی تانیگوچی، دیوید سی بل، هسین لین، تای رونگ چانگ، چونهی ریتا دو، آرون بانسیل ، لیانگ فو، نی نی، پیتر پی اورث، کیونگ ما، و سو یانگ زو و منتشر شده در علوم پایه.
کار برای این تحقیق تا حدی توسط مرکز پیشرفت نیمه فلزات توپولوژیکی (CATS)، یک مرکز تحقیقات مرزی انرژی که توسط وزارت انرژی ایالات متحده، دفتر علوم پایه انرژی پشتیبانی می شود، پشتیبانی می شود.
آزمایشگاه ملی ایمز است وزارت انرژی آمریکا دفتر علوم یک آزمایشگاه ملی که توسط دانشگاه ایالتی آیووا اداره می شود. آزمایشگاه ایمز مواد، فناوری ها و راه حل های انرژی نوآورانه ایجاد می کند. ما از تخصص، توانایی های منحصر به فرد و همکاری بین رشته ای خود برای حل مشکلات جهانی استفاده می کنیم.
آزمایشگاه ایمز توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به https://energy.gov/science.
