Geometria kwantowa przejmuje ster
Klasyczne metody kontroli elektronów w materiałach często opierają się na zewnętrznych polach magnetycznych. Nowe podejście jest inne i imponująco proste w założeniu. Urządzenie, nazwane chiralnym zaworem fermionowym, wykorzystuje kształt samych funkcji falowych elektronów w materiale, aby je rozdzielić. Sercem układu jest półmetal topologiczny: palladogal (PdGa). Materiał ten ma unikalne pasma energetyczne o określonych właściwościach topologicznych, które nadają elektronom specyficzne anomalne prędkości zależne od ich chiralności.
Czytaj też: Symulacje kwantowe na laptopach. Fizycy upraszczają skomplikowane obliczenia
To właśnie te właściwości, opisane liczbami Cherna, zastępują funkcję tradycyjnego magnesu. Jak wyjaśnia Claudia Felser z zespołu badawczego, ilustruje to, jak materiały kwantowe mogą być gospodarzami zupełnie nowych zasad działania urządzeń. Tutaj geometria kwantowa zastępuje magnetyzm jako element funkcjonalny. Stuart Parkin dodaje natomiast, iż jest to nowa funkcjonalność elektroniczna. Tak jak tranzystory kontrolują ładunek, a zawory spinowe kontrolują spin, to urządzenie kontroluje chiralność fermionową, czyli stopień swobody, który do tej pory był niedostępny w elektronice.
Mechanika działania w trzech ramionach
Konstrukcja zaworu przypomina trójramienny rozgałęźnik. Kiedy przez kryształ PdGa płynie prąd, zachodzi nieliniowy efekt Halla. W jego wyniku elektrony o przeciwnej chiralności są odchylane w różne strony, trafiając do innych gałęzi urządzenia. Zwykłe nośniki ładunku są przy tym odfiltrowywane. Efekt włączany jest prądem o natężeniu powyżej około 55 mikroamperów w temperaturze bliskiej zera absolutnego. Co ciekawe, rozdzielonym prądom towarzyszy również namagnesowanie orbitalne o przeciwnych znakach. Jest ono generowane dynamicznie przez sam przepływ prądu, co jest kolejną zaletą w porównaniu do układów wymagających stałych magnesów. Elastyczność rozwiązania polega też na możliwości strojenia, ponieważ można to robić pasywnie, odpowiednio orientując kryształ, bądź aktywnie, łącząc urządzenie z magnetycznymi złączami tunelowymi.
Najbardziej przekonujący dowód na działanie nowej zasady przyniosły eksperymenty z interferometrem kwantowym Macha-Zehndera, zbudowanym z tego samego materiału. Naukowcom udało się zaobserwować interferencję prądów chiralnych przy całkowitym braku zewnętrznego pola magnetycznego. Wysoka widoczność interferencji, na poziomie 0,86 i 0,69, świadczy o dobrej koherencji kwantowej w systemie. Imponujący jest fakt, że ta koherencja utrzymuje się na odległościach większych niż 15 mikrometrów. To dystans uznawany za mezoskopowy, znacznie przekraczający typowe skale w wielu innych układach kwantowych. Długi czas życia stanów koherentnych wynika z chiralnej natury nośników w materiale topologicznym.
Co dalej z chiralną elektroniką?
Potencjalne ścieżki rozwoju wskazywane przez badaczy prowadzą w stronę chiralnej elektroniki kwantowej. W takim podejściu informacja byłaby kodowana nie w ładunku czy spinie, ale właśnie w chiralności stanów kwantowych. To mogłoby dać początek nowym rodzajom pamięci, elementów logicznych czy czujników o innych parametrach działania. Trzeba jednak pamiętać, że obecne eksperymenty przeprowadzane są w ekstremalnie niskich temperaturach, rzędu kilku kelwinów. To poważne ograniczenie dla masowych zastosowań.
Czytaj też: Reguły gry w fizyce kwantowej do zmiany! Efekt Kondo zaskoczył ekspertów
Przełomowość pracy nie polega więc na prezentacji gotowego produktu, a na udowodnieniu, że pewna fundamentalna zasada – kontrola poprzez geometrię kwantową – w ogóle działa i może być inżynieryjnie wykorzystana. Demonstracja chiralnego zaworu fermionowego to przede wszystkim mocny sygnał, że materiały topologiczne kryją w sobie jeszcze wiele nieodkrytych funkcjonalności. Pokazuje, że można projektować urządzenia działające na zupełnie innych, czysto kwantowych zasadach.
