電流は量子物質内で驚くべき経路を辿る

コーネル大学の研究者は、磁気イメージングを使用して、特殊な種類の絶縁体内で電子がどのように流れるかを初めて直接視覚化しました。これにより、科学者が長年予見してきたように、輸送電流が材料の端ではなく内部を通って移動することを発見しました。想定される。

この発見は、いわゆる量子異常ホール絶縁体における電子の挙動に関する新たな洞察を提供し、より一般的な量子ホール絶縁体で電流がどのように流れるかについての数十年にわたる議論に決着を付けるのに役立つはずである。 これらの洞察は、次世代量子デバイス用のトポロジカル材料の開発に役立つでしょう。

同チームの論文「量子異常ホール絶縁体における電子輸送の直接可視化」は、8月3日にNature Materials誌に掲載された。 筆頭著者はマット・ファーガソン博士です。 '22年、現在はドイツのマックス・プランク固体化学物理研究所で博士研究員。

このプロジェクトは、文理学部の物理学助教授で論文の主著者でもあるカチャ・ノワック氏が主導するもので、その起源は量子ホール効果として知られるものにある。 1980 年に初めて発見されたこの効果は、磁場が特定の材料に印加されると異常な現象を引き起こします。バルクサンプルの内部は絶縁体になり、電流は外縁に沿って一方向に移動します。 抵抗は、基本的な普遍定数によって定義される値に量子化または制限され、ゼロに低下します。

2013 年に初めて発見された量子異常ホール絶縁体は、磁化された材料を使用することで同じ効果を実現します。 量子化は引き続き発生し、縦方向の抵抗はなくなり、電子はエネルギーを散逸することなくエッジに沿って速度を上げ、まるで超伝導体のようになります。

少なくともそれが一般的な概念です。

「電流がエッジに沿って流れる図は、その量子化がどのように行われるかを非常によく説明しています。 しかし、量子化を説明できる唯一の画像ではないことが判明しました」とノワック氏は語った。 「2000 年代初頭に始まったトポロジカル絶縁体の目覚ましい台頭以来、このエッジの図が実際に支配的なものとなってきました。 ローカル電圧とローカル電流の複雑さはほとんど忘れられています。 実際には、これらはエッジの図が示すよりもはるかに複雑になる可能性があります。」

量子異常ホール絶縁体であることが知られている材料はほんの一握りです。 新しい研究で、Nowack のグループは、クロムをドープしたテルル化ビスマス アンチモンに焦点を当てました。これは、10 年前に量子異常ホール効果が最初に観察されたのと同じ化合物です。

このサンプルは、ペンシルベニア州立大学の物理学教授ニティン・サマース率いる共同研究者によって培養されました。 物質をスキャンするために、ノワックとファーガソンは、研究室の超伝導量子干渉装置 (SQUID) を使用しました。SQUID は、低温で動作して気の遠くなるような小さな磁場を検出できる非常に高感度の磁場センサーです。 SQUID は、磁場を生成する電流の流れを効果的に画像化し、画像を組み合わせて電流密度を再構築します。

「私たちが研究している海流は本当に小さいので、測定は困難です」とノワック氏は言う。 「そして、サンプルの量子化を適切に行うには、温度を 1 ケルビン未満に下げる必要がありました。 私たちがそれをやり遂げたことを誇りに思います。」

研究者らは、電子が境界端ではなく材料の大部分を流れていることに気づき、古い研究を徹底的に調べ始めました。 彼らは、1980年に量子ホール効果が最初に発見されてから数年間、流れがどこで発生するかについて多くの議論があったことを発見した。この論争はほとんどの若い材料科学者には知られていない、とノワック氏は述べた。

「トポロジカル材料に取り組んでいる新しい世代がこの研究に注目し、議論を再開することを願っています。 トポロジカル材料で何が起こるのかについて、非常に基本的な側面さえ理解していないことは明らかです」と彼女は言いました。 「電流がどのように流れるのか理解できなければ、これらの材料について実際に何が理解できるのでしょうか?」