Fudan yeni mikroskobik uzay-zaman keşfetti: Kuantumun üç boyutlu sistemde Hall etkisi olduğunu doğruladı
"İki boyutlu kadar ince olduğunu mu söylediniz?" Fudan Üniversitesi fizik profesörü Xiu Faxian bir A4 kağıdı aldı: "Bu kalınlık en az onlarca mikron, ancak gerçek iki boyutlu birkaç atomik katman kalınlığındadır. , Sadece birkaç nanometre, kağıt kalınlığının on binde biri kadardır. "
Kuantum Hall etkisi, 20. yüzyıldan beri yoğunlaştırılmış madde fiziği alanındaki en önemli bilimsel keşiflerden biridir ve bununla doğrudan bağlantılı dört Nobel Ödülü vardır. Bununla birlikte, yüz yıldan fazla bir süredir, bilim insanlarının kuantum Hall etkisi üzerine araştırmaları iki boyutlu bir sistemde kaldı ve asla üç boyutlu alana ayak basmadı.
Son zamanlarda, Fudan Üniversitesi Fizik Bölümü'nden Xiu Faxian'ın araştırma grubu ilk olarak bu alanda büyük bir atılım gerçekleştirdi.Weyl yörüngelerinin oluşturduğu yeni bir üç boyutlu kuantum Hall etkisinin doğrudan kanıtı, topolojik yarı metal kadmiyum arsenit nanosheets'te gözlendi. 2D'den 3D'ye önemli bir adım.
17 Aralık'ta ilgili araştırma sonuçları, kadmiyum arsenit içinde "Weylorbitsin Cd3As2'ye dayalı Kuantum Hall etkisi" başlıklı "Nature" (Nature, DOI: 10.1038 / s41586-018-0798) dergisinde çevrimiçi olarak yayınlandı. -3.). Xiu Faxian ilgili yazardır. Fudan Üniversitesi Fizik Bölümü'nde doktora öğrencisi Zhang Cheng, bir Fudan mezunu ve Cornell Üniversitesi'nde doktora sonrası araştırmacı olan Zhang Yi ve Fudan Üniversitesi Fizik Bölümü'nde doktora öğrencisi olan Yuan Xiang, ortak yazarlardır.
Üç boyutlu kuantum Hall etkisi elektronlar için gerçekten var mı?
Çiftçi pazarları genellikle canlı ve her yerdeki kalabalık insanlarla doludur. Aynısı bir iletkende hareket eden elektronlar için de geçerlidir Açık bir yön ve yörünge yoktur ve iletken hareket sırasında ısı ve enerji kaybı yaratacaktır.
Ama düzenli otoyol farklı, arabaların kendi rotaları var ve geri dönemez ya da çarpışamaz. Elektronlar aynı şeyi yapabilir ve belirli kurallara göre düzenli bir şekilde hareket edebilirse, iletim sürecinde enerji kaybı büyük ölçüde azalacaktır.
130 yılı aşkın bir süre önce, Amerikalı fizikçi Hall, akımın yönüne dik bir manyetik alanın enerji verilmiş bir iletkene eklenmesinin elektronların yörüngesini saptıracağını ve iletkenin uzunlamasına yönünde bir voltaj oluşturacağını keşfetti. Bu elektromanyetik fenomen "Huo Er etkisi ". Elektronlar, güçlü bir manyetik alanın etkisi altında iki boyutlu bir düzlemde sınırlandırılırsa, elektronların hareketi, iletkenin kenarında "kurallara uygun" ve "düzenli" hale gelen tek boyutlu bir hareket yapabilir.
Ancak önceki deneyler, kuantum Hall etkisinin yalnızca iki boyutlu veya yarı iki boyutlu sistemlerde ortaya çıkabileceğini kanıtladı. "Örneğin, bu odada, üst yüzeye ve alt yüzeye ek olarak, aralarında hala bir boşluk var." Xiu Faxian elleriyle yukarı ve aşağı işaret etti. "Tavan" veya "zemin" üzerinde, elektronların, kendi raylarında dörtnala giden iki tren gibi, "sınır çizgisi" boyunca düzenli bir şekilde hareket edebildiği, bir sıra ileri ve diğerinin geri olduğu bilinmektedir. Peki ya üç boyutlu uzayda?
Kuantum Hall etkisi üç boyutlu sistemde var mı? Öyleyse, elektronların hareket mekanizması nedir?
"Evi" alt üst etmek ve hareket mekanizmasını Weyl'in yörüngesinden keşfetmek
"Bu fenomeni kadmiyum arsenit nano sayfalarda gördüğümüzde şok olduk. Kuantum Hall etkisi üç boyutlu sistemde nasıl ortaya çıkabilir?" Ekim 2016'da Xiu Faxian ve ekibi yüksek kaliteli üç boyutlu kullandı Kadmiyum arsenit nano-tabakaları kuantum Hall etkisini gözlemlediklerinde, havaya uçan bir arabayı görmek kadar şaşırır ve sevinirler.
Kısa süre sonra keşifleri Nature Communications'da yayınlandı. Ardından, numune hazırlama sürecinde, referans olarak Xiu Faxian ekibinin önceki yayınlanmış deneyimleri kullanıldı.Japonya ve ABD'deki bilim adamları da aynı sistemde bu etkiyi gözlemledi. Ne yazık ki, o zamanki deneysel sonuçlara göre, gerçek elektronik hareket mekanizması net değildir.
Araştırma grubu varsayımlarını ortaya koydu: olası bir yol üst yüzeyden alt yüzeye geçmek ve elektron dikey olarak hareket etmektir; diğer olasılık elektronun üst ve alt yüzeylerde, yani iki boyutlu sistemde olmasıdır. , Kuantum Hall etkisini bağımsız olarak oluşturmak.
Araştırma ekibi güveci kırıp sonunu sormaya karar verdi. Ama saçın binde biri büyüklüğünde ve şimşek kadar hızlı hareket eden elektronların hızı deneysel malzemeler karşısında bu deney nasıl yapılmalıdır? İlk başta, nasıl başlayacaklarını bilmiyorlardı.
Evi çarpık koyduk! Deneysel materyaller küçük olsa da, ilham günlük hayattan gelebilir. Xiu Faxian'ın araştırma grubu bir yol düşündü ve kontrol edilebilir kalınlık değişiklikleri elde etmek için yenilikçi bir şekilde kama şeklindeki numuneler kullandılar. "Çatı eğildiğinde, evin üst ve alt yüzeyleri arasındaki mesafe değişecek." Xiu Faxian bir "yatay hareket" çizdi.
Kuantum Hall platformunda görünen manyetik alanı ölçerek, kuantum Hall adımını hesaplamak için bir formül kullanılabilir. Deneyler, elektronların yörünge enerjisinin numunenin kalınlığından doğrudan etkilendiğini bulmuştur. Bu, numunenin kalınlığı değiştikçe elektronların hareket süresinin de değiştiğini gösterir. Bu nedenle elektronlar numunenin kalınlığına bağlı olarak uzunlamasına bir hareket yapıyor ve tünelleme davranışı kanıtlanıyor.
"Elektron üst yüzeyde çeyrek daire yürür, alt yüzeye geçer, başka bir çeyrek daireyi tamamlar ve sonra yarı kapalı bir döngü oluşturmak için üst yüzeye geri döner. Bu tünelleme davranışı da dağıtıcı değildir, bu nedenle Bu, elektronun tüm siklotron hareketinde hala nicelleştirilmesini sağlayabilir. "Xiu Faxian, tüm yörüngenin kadmiyum arsenit nanoyapıdaki kuantum Hall etkisinin kaynağı olan üç boyutlu bir" Weil yörüngesi "olduğunu söyledi.
Bu noktada, üç boyutlu kuantum Hall etkisinin gizemi nihayet ortaya çıktı.
Temel araştırmalara bağlı kalın ve geleceğin bilim adamlarını yetiştirin
Xiu Faxian altı yıl önce Çin'e döndü ve Fudan Üniversitesi Fizik Bölümüne katıldı. 2014 yılında topolojik yarı metaller alanında Xiu Faxian, çok iyi bir malzeme sistemine sahip olan kadmiyum arsenidi seçti, "çalışmaya çalışın", ancak kontrolden çıktı. Xiu Faxian, büyük dökme malzemelerden, büyük filmlere, nano yapılara ve nano-tek kristallere kadar, öğrencileri "rahat" olmaya ve çok çalışmaya yönlendirdi.
Bu sonucun doğuşuyla ilgili olarak Xiu Faxian, kadmiyum arsenit araştırmasının yeni başladığını düşünüyor. "Bu bir çalışma. İlk kez yeni bir mekanizma önerdik ve kabul edildi. Ancak daha derine inebilecek daha spesifik şeyler var. Bunu dikkatlice yapmaya devam etmek istiyorum."
Xiu Faxian ayrıca dokuz doktora öğrencisi olan bir öğretmendir. Çarşamba günü, araştırmadaki başarılarını ve zorluklarını paylaşmak için akşamları öğrencilerle küçük bir grup toplantısı yapacak ve ayrıca günlük rutinden birkaç kelime konuşacak. Çalışmalarının yalnızca iyi bilimsel araştırma çalışmaları üretmeyeceğini, aynı zamanda insanları araştırma yoluyla eğiteceğini ve öğrencileri gelecekte benzersiz olabilecek bilim adamları olmaları için eğiteceğini umuyor.
"Küçük bir fidan" dan "büyük bir ağaç" a büyümek kolay değildir ve ileri bilimsel araştırmalara giden yol hiç de kolay değildir.
Proje üç yıl boyunca yapıldı ve makalenin ilk yazarı Zhang Cheng, laboratuvarda üç yıl geçirdi. Üç günde altı numune alınabilir.Bunlardan biri kaliteli ise şanslı sayılır.Proje niceleme olgusunu ölçebilecek en az düzinelerce numuneye ihtiyaç duyar.Bu şekilde yapılması gereken gerçek numuneler sayılmaz. Numune hazırlamaya harcanan zaman ve çaba tahmin edilebilir.
Numunelerin yapılması zordur ve sonraki saklama ve ölçüm daha zordur. Kuantum Hall etkisinin meydana gelmesini sağlamak için, malzemenin çok yüksek bir elektron hareketliliği sürdürmesi gerekir ve safsızlıkların "karışmasına" tahammül edemez. Ama bu ne kadar kolay? Ön ölçümden sonra, yüksek manyetik alanlar altında elektriksel testler için dünyadaki güçlü manyetik alan merkezlerine uygun numuneler alınacaktır. Uzun mesafeli yolculuk zahmetlidir ve numunelerin oksitlenmesini önlemek için her zaman dikkatli olmalıyız.
Güçlü manyetik alanın merkezindeki deneysel koşullar iyidir, ancak mevcut deneysel süre yalnızca bir hafta kadar kısa olabilir. Jet gecikmesi tersine dönmedi ve birkaç günlük eğirme işi hemen başlamalı. Deneyler mekanik olarak manuel olarak tekrarlanmaz.En son ölçüm verileri ortaya çıktıktan sonra, sonraki ölçümlerde ideal deneysel sonuçları elde etmek için deneysel stratejiler ve yöntemler zaman içinde ayarlanmalı ve tekrarlanmalıdır. Verimliliği artırmak için Zhang Cheng ve Yuan Xiang her zaman uyku tulumları getirir ve deneyler arasında doğrudan yandaki ofiste dinlenir.
Çok acı çektim ama herkes buna değdiğini hissetti. "Ben de mücadele ettim, ancak uzun yıllar temel ve orijinal işler yapmakta ısrar ettim." Xiu Faxian, temelin ve özgünlüğün kendisini ve ekibi heyecanlandırdığını söyledi. "Üç boyutlu kuantum Hall efekti, o zamandan beri Fudan Üniversitesi tarafından markalandı!"
(Kaynak: The Paper)
