Τα κβαντικά υλικά, των οποίων οι ιδιότητες διέπονται από τους νόμους της κβαντικής μηχανικής, αποδεικνύονται εξαιρετικά υποσχόμενα για την ανάπτυξη υπερ-αποδοτικών ηλεκτρονικών συσκευών, κβαντικών επεξεργαστών, αισθητήρων υψηλής ακρίβειας και άλλων τεχνολογιών. Ο αξιόπιστος έλεγχος των κβαντικών φάσεων αυτών των υλικών θα επέτρεπε στους μηχανικούς να προσαρμόζουν και να βελτιστοποιούν τις ιδιότητές τους για συγκεκριμένες εφαρμογές.
Ερευνητές στο ETH της Ζυρίχης, στην Ομάδα Κβαντικής Οπτοηλεκτρονικής με επικεφαλής τον καθηγητή Dr. Jérôme Faist και τον καθηγητή Dr. Giacomo Scalari, ανακάλυψαν μια νέα στρατηγική για τη σταθεροποίηση αυτο-οργανωμένων ηλεκτρονικών μοτίβων, γνωστών ως κβαντικές λωρίδες Hall, σε δισδιάστατα (2D) συστήματα ηλεκτρονίων.
Η προσέγγισή τους, η οποία περιγράφεται σε εργασία που δημοσιεύθηκε στο Nature Physics, περιλαμβάνει τη δημιουργία δισδιάστατων συστημάτων ηλεκτρονίων υψηλής ποιότητας, την ενσωμάτωσή τους σε προσεκτικά σχεδιασμένες κοιλότητες που περιορίζουν τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία και την ψύξη τους σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες.
Μια απροσδόκητη επιστημονική ανακάλυψη
Η εργασία των ερευνητών προέκυψε από ένα αναπάντεχο φαινόμενο που παρατήρησαν κατά τη διάρκεια προηγούμενων πειραμάτων. Συγκεκριμένα, η ομάδα διαπίστωσε ότι υπό ορισμένες απρόβλεπτες συνθήκες, η αντίσταση ενός κβαντικού υλικού που είχε τοποθετηθεί μέσα σε μια κοιλότητα πλησίαζε το μηδέν.
Η ομάδα διερευνούσε την εξαιρετικά ισχυρή σύζευξη μεταξύ του φωτός – του περιορισμένου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό ενός συντονιστή κοιλότητας – και της ύλης, δηλαδή των ηλεκτρονίων που κινούνται σε ένα δισδιάστατο επίπεδο. Αυτό γινόταν μέσω μετρήσεων μαγνητομεταφοράς, όπου μετράται το ρεύμα και η τάση καθώς μεταβάλλεται το μαγνητικό πεδίο που εφαρμόζεται κάθετα στο επίπεδο.
Στην αρχική τους έρευνα, ο Graziotto και οι συνεργάτες του εξέταζαν τα λεγόμενα κβαντικά πλατώ Hall, περιοχές όπου η αγωγιμότητα Hall παραμένει σταθερή σε ακριβείς, κβαντισμένες τιμές. Ήθελαν να δουν αν αυτές οι περιοχές θα παρουσίαζαν οποιαδήποτε αλλαγή υπό την επίδραση της σύζευξης με τις διακυμάνσεις του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Σε κάποιο σημείο, παρατήρησαν ότι για ορισμένα συγκεκριμένα μαγνητικά πεδία μακριά από τα πλατώ, η αντίσταση πλησίαζε σχεδόν το μηδέν. Αυτό ήταν ασυνήθιστο, καθώς αναμενόταν τα ηλεκτρονία να συμπεριφέρονται σαν μεταλλικό σύστημα, παρουσιάζοντας μια πεπερασμένη, σημαντική αντίσταση.
Αφού απέκλεισαν το ενδεχόμενο σφάλματος στις μετρήσεις, οι ερευνητές συνεργάστηκαν με θεωρητικούς φυσικούς στο ETH της Ζυρίχης για να προβλέψουν τα φυσικά αίτια του φαινομένου. Οι θεωρητικοί υπέθεσαν ότι η χαμηλή αντίσταση θα μπορούσε να οφείλεται σε μια συλλογική διάταξη των ηλεκτρονίων για τον σχηματισμό ευθυγραμμισμένων λωρίδων. Αυτές οι λωρίδες θα λειτουργούσαν ως αυτοκινητόδρομοι για τη ροή των ηλεκτρονίων, καταστέλλοντας έτσι ισχυρά την αντίστασή τους. Η ομάδα επαλήθευσε αυτόν τον ισχυρισμό μετρώντας την αντίσταση στην κάθετη κατεύθυνση, όπου αναμενόταν αύξηση.
Μηχανική παραγωγή νέων λωρίδων Hall
Για να ελέγξουν τις θεωρητικές προβλέψεις, οι ερευνητές κατασκεύασαν ένα νέο δισδιάστατο υλικό στο οποίο τα ηλεκτρονία μπορούσαν να κινούνται ελεύθερα με ελάχιστη σκέδαση. Οι κβαντικές λωρίδες Hall που παρήχθησαν σε αυτά τα υλικά ευθυγραμμίστηκαν με τέτοιο τρόπο ώστε η ομάδα να μπορεί να μετρήσει την αντίσταση ορθογώνια.
Τα πειράματα αποκάλυψαν τον μηχανισμό με τον οποίο ευθυγραμμίζονται οι λωρίδες, δείχνοντας ότι η ευθυγράμμισή τους οφείλεται στη σύζευξη των ηλεκτρονίων με τις πολωμένες διακυμάνσεις του κενού στο εσωτερικό του συντονιστή κοιλότητας. Οι λωρίδες τείνουν να σχηματίζονται σε μικροσκοπική κλίμακα λόγω του ιδιαίτερου δακτυλιοειδούς σχήματος που παίρνουν οι κυματοσυναρτήσεις των ηλεκτρονίων σε ένα μαγνητικό πεδίο.
Ωστόσο, αυτές οι μικροσκοπικές λωρίδες είναι συνήθως τυχαία προσανατολισμένες. Στη νέα προσέγγιση, οι ερευνητές τις έλεγξαν ευθυγραμμίζοντάς τις κάθετα προς την κατεύθυνση πόλωσης των διακυμάνσεων του κενού, κάτι που επιτρέπει τον επαναπροσανατολισμό τους μέσω μιας ροπής, συγκεκριμένα μιας ροπής Casimir.
Τα ηλεκτρονία στο δείγμα της ομάδας περιορίστηκαν σε δύο διαστάσεις, καθώς φιλοξενούνταν στο εσωτερικό ημιαγώγιμων ετεροδομών κατασκευασμένων από αρσενικούχο γαλλίο και αρσενικούχο αργίλιο γαλλίο. Στη συνέχεια, η ομάδα χρησιμοποίησε έναν ψύκτη αραιώσεως για να ψύξει το δείγμα κάτω από τους 20 mK και εφάρμοσε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο χρησιμοποιώντας έναν υπεραγώγιμο μαγνήτη.
Με αυτόν τον τρόπο, οι επιστήμονες κατάφεραν να ελέγξουν μια συσχετισμένη φάση των ηλεκτρονίων, η οποία προκύπτει αποκλειστικά λόγω της ιδιαίτερης μορφής της αλληλεπίδρασης μεταξύ τους, χρησιμοποιώντας μόνο τις διακυμάνσεις που είναι πάντα παρούσες στο σκοτάδι λόγω της κβαντικής αβεβαιότητας, αφού πρώτα ενισχύθηκαν κατάλληλα μέσα στον συντονιστή κοιλότητας. Αν και έχουν γίνει επιτυχείς προσπάθειες ευθυγράμμισης αυτών των λωρίδων στο παρελθόν, η σταθεροποίηση που επιτυγχάνεται με τη νέα μέθοδο είναι πολύ πιο ισχυρή, καθώς επιμένει μέχρι περίπου τη διπλάσια θερμοκρασία από εκείνη στην οποία χάνεται η ευθυγράμμιση με άλλες τεχνικές.
Μελλοντικές εφαρμογές και επόμενα βήματα
Η ανακάλυψη αυτής της προσέγγισης για την ευθυγράμμιση των κβαντικών λωρίδων Hall και την καταστολή της αντίστασης θα μπορούσε να ανοίξει νέες δυνατότητες για τη ρύθμιση ηλεκτρονικών καταστάσεων σε κβαντικούς επεξεργαστές, αισθητήρες, μνήμες και άλλες τεχνολογίες αιχμής.
Η μέθοδος επιτρέπει την επίτευξη τροποποιήσεων του υλικού πλήρως σε κατάσταση ισορροπίας, χωρίς διαρροή ενέργειας, γεγονός που μπορεί να αποδειχθεί χρήσιμο για τη δόμηση άλλων συσχετισμένων φάσεων, με προεκτάσεις στην υλοποίηση κβαντικών συσκευών.
Οι ερευνητές σχεδιάζουν τώρα νέες μελέτες με στόχο την περαιτέρω βελτίωση της μεθόδου τους. Συγκεκριμένα, επιθυμούν να χειριστούν τις κβαντικές λωρίδες Hall σε πραγματικό χρόνο, περιστρέφοντάς τις μέσω της συνεχούς περιστροφής της πόλωσης των διακυμάνσεων του κενού. Αυτό θα αποδείκνυε τη δυνατότητα δυναμικού ελέγχου του συστήματος σε κατάσταση ισορροπίας. Ο μακροπρόθεσμος στόχος της ομάδας είναι να εφαρμόσει αυτό το παράδειγμα ελέγχου υλικών με διακυμάνσεις κενού και σε δισδιάστατα υλικά van der Waals, τα οποία φιλοξενούν πολλές νέες και ενδιαφέρουσες φάσεις που δεν έχουν παρατηρηθεί πουθενά αλλού.
