Управляемый поток электронов в квантовых проволоках
Согласно новому исследованию, опубликованному в Nature, исследователи из Принстона продемонстрировали новый способ создания управляемых «квантовых проводов» в присутствии магнитного поля .
Исследователи обнаружили каналы проводящих электронов, которые образуются между двумя квантовыми состояниями на поверхности кристалла висмута, подверженного воздействию сильного магнитного поля. Эти два состояния состоят из электронов, движущихся по эллиптическим орбитам с различной ориентацией.
К удивлению команды, они обнаружили, что поток тока в этих каналах можно включать и выключать, что делает эти каналы новым типом контролируемого квантового провода.
«Эти каналы замечательны тем, что они самопроизвольно образуются на границах между различными квантовыми состояниями, в которых электроны коллективно выравнивают свои эллиптические орбиты», — сказал Али Яздани, профессор физики 1909 года и директор Принстонского центра сложных материалов, который возглавлял исследование. «Интересно видеть, как взаимодействие между электронами в каналах сильно диктует, могут ли они проводить».
Исследователи использовали сканирующий туннельный микроскоп — устройство, способное отображать отдельные атомы и отображать движение электронов на поверхности материала — для визуализации поведения электронов на поверхности кристалла, изготовленного из чистого висмута.
С помощью этого инструмента команда непосредственно изобразила движения электронов в присутствии магнитного поля, в тысячи раз большего, чем магнит на холодильник. Приложение большого магнитного поля заставляет электроны двигаться по эллиптическим орбитам вместо более типичного потока электронов, параллельного направлению электрического поля.
Команда обнаружила, что проводящие каналы образуются на границе, которую они называют долинно-поляризованной доменной стенкой, между двумя областями на кристалле, где электронные орбиты резко меняют ориентацию.
Маллика Рандерия, аспирант кафедры физики, которая проводила эксперименты, сказала: «Мы находим, что существуют двухполосные и четырехполосные каналы, в которых могут течь электроны, в зависимости от точного значения магнитного поля. «. Она и ее коллеги заметили, что, когда электроны настроены на движение в канале с четырьмя полосами движения, они застревают, но они могут течь беспрепятственно, когда они ограничены только каналом с двумя полосами движения.
Пытаясь понять это поведение, исследователи открыли новые правила, по которым законы квантовой механики диктуют отталкивание между электронами в этих многоканальных квантовых проволоках. Хотя большее число дорожек, по-видимому, указывает на лучшую проводимость, отталкивание между электронами приводит к тому, что они меняют полосы, изменяют направление и застревают, что приводит к изолирующему поведению. При меньшем количестве каналов электроны не имеют возможности менять дорожки и должны передавать электрический ток, даже если им приходится двигаться «сквозь» друг друга — квантовое явление возможно только в таких одномерных каналах.
Подобная защищенная проводимость происходит вдоль границ так называемых топологических состояний вещества, которые были предметом Нобелевской премии 2016 года, присуждаемой профессору физики Университета Шермана Фэйрчайлда Принстона Ф. Дункана Холдейна. Теоретическое объяснение нового нахождения основывается на более ранней работе , проведенной двумя членами команды, Сиддхарт Parameswaran, который тогда был аспирантом в Принстоне и в настоящее время является адъюнкт — профессор физики Оксфордского университета и Принстона Шиваджи Сонди, профессор физика и сотрудники.
«Хотя некоторые из теоретических идей, которые мы использовали, существуют уже некоторое время, все еще трудно понять, как они сочетаются друг с другом, чтобы объяснить реальный эксперимент и настоящий трепет, когда это произойдет», — сказал Парамесваран. «Это прекрасный пример того, как эксперимент и теория работают в тандеме: без новых экспериментальных данных мы бы никогда не пересмотрели нашу теорию, а без новой теории было бы трудно понять эксперименты».
