Jak relacjonują autorzy przełomu, za tajemniczym wzorem stoi jednoczesne oddziaływanie dwóch różnych rodzajów stanów elektronowych. Badania przeprowadzili przedstawiciele Korea Research Institute of Standards and Science oraz Gwangju Institute of Science and Technology, we współpracy z innymi ośrodkami badawczymi. Wyniki opublikowali w Nano Letters.
Czytaj też: Naukowcy badają nowe źródło energii. Ich silnik przenosi prawa termodynamiki do kwantowego świata
Aby zrozumieć znaczenie odkrycia, musimy najpierw przyjrzeć się izolatorom topologicznym. Są to niezwykłe materiały kwantowe, które we wnętrzu słabo przewodzą prąd, ale na swojej powierzchni mogą posiadać specjalne stany elektronowe umożliwiające swobodne przemieszczanie się elektronów. Właśnie te właściwości sprawiają, że izolatory topologiczne stanowią obiekt badań pod kątem zastosowań dla przyszłych urządzeń kwantowych i elektronicznych.
Kiedy taki materiał zostanie przekształcony w bardzo cienki nanodrut, elektrony znajdujące się na jego powierzchni mogą poruszać się wokół jego obwodu. Po przyłożeniu pola magnetycznego pojawia się efekt Aharonowa-Bohma. Fale elektronowe przemieszczające się różnymi drogami zaczynają interferować, powodując okresowe zmiany przewodnictwa materiału. Te zmiany, zwane oscylacjami Aharonowa-Bohma, stanowią ważne narzędzie pozwalające badać kwantowe właściwości takich struktur.
Problem polegał na tym, iż rzeczywiste materiały są bardziej skomplikowane od ich modeli. W przypadku izolatorów topologicznych stosowanie domieszek może prowadzić do powstania cienkiej warstwy elektronów tuż pod powierzchnią materiału. To dwuwymiarowy gaz elektronowy, czyli 2DEG. Przez długi czas nie było jasne, czy elektrony znajdujące się w tej warstwie również uczestniczą w obserwowanych oscylacjach kwantowych.
Przełom nastąpił podczas eksperymentów z nanodrutami wykonanymi z selenku bizmutu domieszkowanego antymonem. Naukowcy badali między innymi właściwości termoelektryczne materiału, kiedy zauważyli charakterystyczny puls. Zjawisko przypomina sytuację, w której jednocześnie brzmią dwa instrumenty generujące bardzo podobne, lecz nieco różniące się częstotliwości. Ich fale nakładają się na siebie, powodując okresowe wzmacnianie i osłabianie całego sygnału.
Czytaj też: Naukowcy zajrzeli do wnętrza kwantowego świata. Zweryfikowali to, o czym debatowali od lat
To właśnie ten efekt stał się podstawą rozwiązania zagadki. Badacze ponownie przeanalizowali wcześniejsze dane dotyczące przewodnictwa elektrycznego i odkryli, że podobny wzór był obecny w nich już wcześniej, lecz pozostawał niezauważony lub trudny do jednoznacznego wyodrębnienia. Dalsza analiza wykazała, iż w materiale występują dwie różne oscylacje kwantowe. Jedna pochodzi od topologicznych stanów powierzchniowych, a druga od zwykłych elektronów znajdujących się w warstwie 2DEG. Ponieważ elektrony z obu grup poruszają się po nieco innych torach, obejmują różne pola przekroju nanodrutu. W rezultacie każda z tych grup generuje oscylacje o innej częstotliwości. Ich nałożenie tworzy obserwowany wcześniej sygnał „bicia”.
Do rozdzielenia obu sygnałów naukowcy wykorzystali również uczenie maszynowe. Tradycyjne metody analizy miały problem z rozdzieleniem nakładających się oscylacji. Algorytmy pozwoliły natomiast wyodrębnić poszczególne składowe i potwierdzić, że każda z nich zachowuje własną częstotliwość nawet wtedy, gdy zmienia się napięcie sterujące stanami elektronowymi. Wyniki zostały dodatkowo potwierdzone za pomocą obliczeń teoretycznych oraz eksperymentów przeprowadzonych na innym nanodrucie. Efekt końcowy pokazuje, że zwykłe stany elektronowe mogą uczestniczyć w interferencji kwantowej obok stanów topologicznych. To ważna informacja dla naukowców próbujących wykorzystywać izolatory topologiczne w przyszłych urządzeniach kwantowych.
Źródło: Nano Letters
