على ما يبدو ، لا يمر يوم دون أن يتحدث أحد عن أجهزة الكمبيوتر الكمومية. تعدنا هذه التقنية بالأجهزة التي تعمل على مبدأ "أسرع وأعلى وأقوى" ، بينما لا يزال من الصعب وصف جميع مزاياها وعيوبها. ومع ذلك ، فإن احتمالية سرعة الحوسبة ونقل البيانات بشكل لا يصدق ، بالإضافة إلى تخزين كمية هائلة من البيانات "في بذور الخشخاش" أمر لا شك فيه جذاب. ولتحقيق هذه الارتفاعات المرجوة ، هناك حاجة إلى الكثير من العمل ، لأن التكنولوجيا الجديدة هي مبادئ جديدة ، وأجهزة جديدة ، وبالطبع ، مواد جديدة. كلاسيكية ، كما يطلق عليها الآن بشكل شائع ، تستخدم أجهزة الكمبيوتر السيليكون كمادة أساس. وماذا تستخدم الكم؟ سيتم مناقشة هذا في الدراسة التي ندرسها اليوم. ما هي هذه الخصائص الجديدة للمادة المعروفة بالفعل ، ولماذا اهتموا بها ، ولماذا يطلق عليها "اختراق" في تقنيات الكم؟ الإجابات مخفية في تقرير العلماء. يبقى فقط للعثور عليهم. دعنا نذهب.
خلفية وأساس البحثأصبح اكتشاف
العوازل الطوبولوجية * حافزًا كبيرًا لإعادة دراسة المواد المختلفة مع الرغبة في العثور على خصائص مفيدة لتقنيات الكم فيها. تم وصف هذه المواد لأول مرة في الثمانينيات ، ولكن لم يتم العثور عليها إلا في عام 2007 الأخير.
عازل طوبولوجي * (TI) - مادة يكون الجزء الداخلي منها عازلًا ، ويقوم السطح بتوصيل تيار كهربائي.
دفعت هذه المواد العلماء إلى التحقيق في
الحالات السطحية غير القياسية
* للمواد المعروفة بالفعل ومفيدة بالتأكيد لأجهزة الكمبيوتر الكمومية.
الحالة السطحية * هي الحالة الإلكترونية لسطح مادة صلبة.
يمكن أن يكون لخصائص الحالة السطحية للعوازل الطوبوغرافية أصولًا مختلفة ، على سبيل المثال ،
تفاعل قوي
تدور حول المدار * أو تأثير ارتباط الإلكترون. على أي حال ، إذا فهمت أصل هذه الحالات ، فيمكنك استخدامها في تنفيذ مثل هذا المشروع الطموح واسع النطاق كتقنيات الكم.
تفاعل مدار تدور * - تفاعل جسيم متحرك ولحظته المغناطيسية الخاصة التي يسببها دوران هذا الجسيم.
كان الممثل الأول لـ TI عبارة عن مركب من البزموت والتيلوريوم والكبريت ، والمعروف باسم tetradimite (Bi
2 Te
2 S). استندت الحالة السطحية لرابع tetradimite على تفاعل مدار تدور وتدعمه
تناسق t * .
T-symmetry * هو تناظر المعادلات فيما يتعلق بانعكاس الوقت (أي استبدال الوقت t بـ -t ).
ومن الجدير بالذكر أيضًا أنصاف طوابق ديراك الطبوغرافية ، مثل Cd
3 As
2 و Na
3 Bi. ووجدوا صلة بين
نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل * في نقاط منفصلة معينة من
منطقة بريلوين * .
إن نطاق التكافؤ * هو منطقة الطاقة للحالة الإلكترونية لمادة صلبة ، مليئة بإلكترونات التكافؤ ومسؤولة عن التوصيل الكهربائي للجسم.
نطاق التوصيل * هو نطاق الطاقة للحالة الإلكترونية للمادة الصلبة التي لا تمتلئ بالإلكترونات.
عندما تمر الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل ، بعد أن اجتازت الشريط الممنوع ، تبدأ في التحرك تحت تأثير المجال الكهربائي ، أي المشاركة في التوصيل.
منطقة بريلوين *
أ) لشبكة مكعبة بسيطة ؛
ب) - للشبكة السداسية.
في هذه المواد ، يوجد تناظر بلوري وعكسي.
ارتبطت حالة مثيرة للاهتمام للغاية مع زرنيخ التانتالوم نصف آخر (Weil semimetal). في وقت مبكر من عام 1929 ، صاغ الألماني ويل معادلة الحركة لجسيم مكون من عديم الكتلة ، سميت باسمه. من خلال القيام بذلك ، تنبأ العالم بوجود ما يسمى بويل فيرميون. حتى عام 2015 ، لم يكن أحد قادرًا على الحصول على نصف نهائي Weyl ، وبالتالي إصلاح جسيم توقعه بقيمة نصف عدد صحيح. عندما تم تمرير الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية من خلال بلورة زرنيخ التنتالوم ، تمكن العلماء من دراسة الخصائص الفيزيائية لمادة غير عادية. تم اكتشاف إثارة شعرية ، تظهر نفسها على أنها Werml fermions.
من المدهش أن فيرميلس Weil ، على عكس الإلكترونات ، لا تخضع للتشتت الخلفي عندما يواجه الجسيم عقبة. تمر جسيمات Weil ببساطة عبر عقبة أو تتدفق حولها ، كما لو لم تكن موجودة لها على الإطلاق.
تسبب هذه المواد اهتمام العلماء الشديد ، لأنها يمكن أن تغير جذريًا عالم تكنولوجيا الكمبيوتر بسبب خصائصها غير العادية.
كما نرى ، فإن المواد المذكورة أعلاه كافية تمامًا للتنفيذ في تقنيات الكم. ومع ذلك ، كان هدف أبطالنا اليوم هو العثور على ليس فقط مادة مناسبة ، ولكن مثالية حقًا ، تجمع بين العديد من الخصائص المهمة في وقت واحد.
كانت هذه المادة هي المعدن
Hf 2 Te 2 P ، حيث تم اكتشاف حالات السطح الفيرميونية الطبوغرافية ، وتقاطع ديراك وقوس ديراك. مزيج مثير للإعجاب في زجاجة واحدة.
القياسات التجريبيةكانت الطريقة الرئيسية لتحديد كل ما سبق هي التحليل الطيفي الكهروضوئي للدقة الزاوية.
شكل رقم 1: التركيب البلوري وتوصيف العينة Hf 2 Te 2 P.يوضح الشكل
1 أ البنية البلورية الرباعية السطحية ل Hf
2 Te
2 P. تحدد المربعات مجموعتين من أكثر مجموعات
التعبئة ذرة من خمس طبقات
كثيفة * . يشير النجم الأحمر إلى مركز
الانقلاب * . النقاط البنفسجية هي
Te (التيلوريوم) ، والنقاط الخضراء هي
Hf (hafnium) ، والنقاط الصفراء هي
P (الفوسفور).
مثال على التعبئة الأكثر كثافة للذرات.الانعكاس * هو تحويل الفضاء المكافئ للمفهوم الرياضي "للانعكاس".
يوضح الرسم البياني
1 ب اعتماد درجة الحرارة للمقاومة الكهربائية المقاسة في بلورة Hf
2 Te
2 P واحدة تحت تأثير المجال المغناطيسي المتعامد مع التيار المتدفق في المستوى القاعدي لخلية الوحدة البلورية. الخط البني هو مجال مغناطيسي من 0 T ؛ الخط البرتقالي هو مجال مغناطيسي 9 T.
أيضا على الرسم البياني
1 ب نرى صورة
بلورة مفردة * Hf
2 Te
2 P نمت لهذه الدراسة.
البلورة الواحدة * عبارة عن بلورة مفردة ذات شبكة بلورية مستمرة.
يوضح الرسم البياني
1 ج اعتماد المقاومة المغناطيسية عند درجات حرارة مختلفة في بلورة واحدة من Hf
2 Te
2 P ، عندما يتدفق التيار في المستوى القاعدي لخلية الوحدة البلورية.
يوضح الشكل
1 د إسقاط منطقة حجم Brillouin على السطح السداسي لنفس المنطقة من البلورة Hf
2 Te
2 P ، حيث يتم وضع علامة على نقاط تناظر عالية.
وأخيرًا ، توضح الصورة
1e نتائج قياس مستوى قلب Hf
2 Te
2 P. هنا يمكنك رؤية القمم الكبيرة لـ Te 4d (tellurium) و Hf 4f (hafnium) ، وهو مؤشر على الجودة العالية لعينة الاختبار.
بالإضافة إلى تحديد العديد من
مخاريط Dirac * عند النقطة Γ (الصورة
1 د ) عند مستويات مختلفة من طاقة الربط * تحت
مستوى Fermi وفوقه
* ، تم العثور أيضًا على قوس Dirac ، والذي تمركز في النقطة M على طول محور GM في مستوى نبض الطاقة.
ديراك كونز *
مستوى فيرمي * - زيادة طاقة الحالة الأرضية للنظام عند إضافة جسيم واحد ؛ أقصى طاقة للفرميون في حالة الأرض عند درجة حرارة صفرية مطلقة.
شكل رقم 2: سطح فيرمي وملاحظة حالات فرميون متعددةتظهر الصور في المجموعة
2 أ أسطح فيرمي مختلفة بمستويات مختلفة من طاقة الفوتون (80 فولت و 90 فولت و 100 فولت). تشير الخطوط المنقطة البيضاء المرقمة 1 و 2 إلى اتجاه التشتت.
تظهر الصور من
b إلى
d خرائط التشتت التي تم قياسها على طول اتجاهات متناظرة للغاية بمستويات مختلفة من طاقة الفوتون. تم الحصول على البيانات باستخدام المحطة التجريبية
لمصدر الإشعاع السنكروتروني * عند درجة حرارة 18 كلفن (-255.15 درجة مئوية).
إشعاع السنكروترون * - الإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من الجسيمات المشحونة التي تتحرك بسرعات نسبية على طول المسارات المنحنية بحقل مغناطيسي.
شكل 3: ملاحظات تجريبية لقوس ديراك.تظهر صور المجموعة
3 أ ملامح سطح الطاقة الثابتة عند قيم مختلفة لطاقة الربط (من 0 إلى 1000 ميلي فولت ، ميلي إلكترون فولت). سطح فيرمي على شكل زهرة بستة بتلات واضح للعيان ، مما يشير إلى أن مثل هذا التشتت الواضح ممكن حتى في المواد المعدنية ديراك. أدناه ، في
3 ب ، تظهر ملامح طاقة ثابتة أقرب إلى قوس ديراك.
3c عبارة عن خريطة تشتت في اتجاه KMK على طول اتجاه المقطع ، تم الكشف عنها لسطح طاقة ثابتة عند مستوى طاقة ربط يبلغ حوالي 1000 meV.
عند الاقتراب من استخلاص المعلومات ، تجدر الإشارة إلى جميع الحالات الفيرميونية المحددة في العينة من خلال الحسابات والملاحظات التجريبية.
الصورة رقم 4: حالات فرميون متعددة.الملخصكما ذكرنا من قبل ، كان أحد أهم الملاحظات هو سطح فيرمي على شكل زهرة ذات ست بتلات ، مما يشير إلى أن مثل هذا التشتت الواضح ممكن حتى في المواد المعدنية ديراك. ديراك مخاريط مع تشتت خطي على مدى واسع من الطاقة (~ 2.3 eV) هي أيضًا ذات أهمية متساوية ، وهي أكبر من تلك الخاصة بنصف ZrSiS (~ 2 eV).
وتجدر الإشارة إلى أنه في العوازل الطوبولوجية من النوع n المدروسة جيدًا Bi
2 Se
3 / Bi
2 Te
3 (
5a ) وجد تجريبيًا أن المخاريط السطحية العلوية والسفلية من Dirac لها مستوى Fermi أعلى بكثير من نقطة Dirac (نقطة التلامس بين التكافؤ ومناطق النطاق الموصلية). في حالة Sb
2 Te
3 ، مادة من النوع p ، تقع نقطة Dirac أعلى بكثير من مستوى Fermi (
5b ). في بعض المواد الأخرى ، هناك اتصال بين الموصلية السائبة ونطاق التكافؤ في حلقة أحادية البعد محمية بالتناظر غير المتماثل (
5 ج ).
تم العثور على جميع هذه الظواهر الثلاث في مادة واحدة في وقت واحد ، في Hf
2 Te
2 P (
5d ،
5e ). حتى الآن ، لا يمكن لمادة واحدة أن تتباهى بهذا.
للتعرف على تفاصيل الحسابات والقياسات ، أوصي بشدة بقراءة تقرير الباحثين ، المتوفر على هذا الرابط.كما وفر الباحثون أيضًا وصول جميع القادمين إلى مواد إضافية من عملهم.الخاتمةلا يمكن أن تسمى هذه الدراسات بأي حال من الأحوال بسيطة. من الصعب بشكل عام استدعاء تقنية الكم ، على الأقل بالنسبة لي. ومع ذلك ، فإن مثل هذا العمل الضخم يمكن أن يؤتي ثماره في مئة ضعف ، لأن الخصائص المخفية سابقًا للمواد المعروفة التي اكتشفها الباحثون يمكن أن توسع نطاق الاحتمالات في تنفيذ أجهزة الكمبيوتر الكمومية. يمكن أن يكون الجمع بين العديد من الخصائص المفيدة في مادة واحدة ميزة على مدى تعقيد تصنيعها. ربما إذا لم يتمكن أحد من العثور على بديل للمادة المذكورة أعلاه ، فقد يصبح حجر تقنية Rosetta في المستقبل. كل هذه الدراسات ، على الرغم من دعمها من القياسات والملاحظات التجريبية ، لا تزال نظرية إلى حد كبير. يمكن فقط للتطبيق العملي لأي جهاز يستخدم مثل هذه المواد أن يضمن لنا 100 ٪ من تفرده وفائدته المذهلة ، كما يقول العلماء. على أي حال ، لا يجب أن تتسرع. لا يزال أمام عالم العلوم طريق طويل ليقطعه حتى تسجل مثل هذه الدراسات في التاريخ كاكتشافات الماضي التي أثرت على مستقبلنا.
شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ،
خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على نظير فريد من خوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجابايت DDR4).
ديل R730xd أرخص مرتين؟ فقط لدينا
2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة! اقرأ عن
كيفية بناء مبنى البنية التحتية الطبقة باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟