Квантовый эффект Холла ‘перевоплотиться’ в 3D топологических материалов

Американские и немецкие физики нашли удивительно доказательства того, что один из самых известных явлений в современной физике — квантовый эффект Холла — это «перевоплотиться» в топологических сверхпроводников, которые могут быть использованы для построения отказоустойчивых квантовых компьютеров.

Открытие 1980 г. квантового эффекта Холла стартовал исследование топологических заказов, электронных состояний с «защищенных» моделей дальней квантовой запутанности, которые весьма надежны. Стабильность этих государств весьма привлекателен для квантовых вычислений, который использует квантовую сцепленность для хранения и обработки информации.

В исследовании, опубликованном онлайн в этом месяце в натуральном комментарий х (проксимити-контроллер PRX), физиков-теоретиков из риса университет, Университет Калифорнии, Беркли (Беркли) и технологического института Карлсруэ (кит) в Карлсруэ, Германия, представлены сильные численные доказательства удивительную связь между 2D и 3D топологических фаз вещества. Квантовый эффект Холла был обнаружен в 2D материалы и лабораторий по всему миру в гонке, чтобы сделать 3D топологических сверхпроводников для квантовых вычислений.

«В этой работе мы показали, что конкретный класс в 3D топологических сверхпроводников должны обладать энергией стеков в 2D электронных состояний на поверхности», — сказал Райс, соавтор Мэтью Фостер, доцент кафедры физики и астрономии и членом риса Центра квантовых материалов (RCQM). «Каждый из этих сложенных государств является надежным реинкарнация одного, очень специальное состояние, которое возникает в 2D квантового эффекта Холла».

Квантовый эффект Холла впервые был измерен в двумерных материалов. Фостер использует «перколяции» аналогии, чтобы помочь визуализировать странное сходство между тем, что происходит в 2D квантовых экспериментов зале и моделей исследования 3Д вычислений.

«Изображение листа бумаги с картой изрезанный вершинами и долинами, а затем представьте, что произойдет, как вы восполнить этот пейзаж с водой», — сказал он. «Вода-это наша электронов, и, когда уровень жидкости низкий, вы просто изолировали озер электронов. Озера отсоединены друг от друга, а электроны не могут провести через Навального. Если уровень воды высок, у вас есть отдельные островки, и в этом случае островов, как электроны, и вы также не получите объемной проводимости.»

По аналогии Фостер суровый пейзаж электрического потенциала для 2D материал, уровень прочности соответствует количество примесей в системе. Уровень воды представляет собой «Ферми-энергии» в физике такое понятие, что относится к уровню заполнения электронов в системе. Края бумажной карты являются аналогом 1Д краями, которые окружают 2D материал.

«Если вы добавляете воду и регулировать уровень жидкости точно в той точке, где у вас мостики воды, соединяющие озера и мостики земельных участков, соединяющих острова, то, как легко путешествовать по воде или суше», — сказал Фостер. «То есть порога перколяции, которая соответствует переходу между топологических состояний в квантовой зале. Это специальный 2D состояние в квантовой зале.

«Если увеличение уровня жидкости более, сейчас электроны оказываются запертыми в изолированных островов, и вы думали бы, ‘ну, у меня такая же ситуация у меня была и раньше, без проводимости.’ Но, по специальному переходу, один из электронных состояний был поделен на краю. Добавляя больше жидкости не удалить окраине государства, которые могут обойти весь образец, и ничто не может остановить его.»

Аналогия описывает взаимосвязь между надежную край проводимости и объемных тонкой настройки через специальный переход в квантовом эффекте Холла. В исследовании России, приемных и соавторы BJO по?рН Sbierski из Калифорнийского университета в Беркли и Джонас Керхер комплекта изучал в 3D топологических систем, которые похожи на 2D-ландшафтам в аналогии.

«Самое интересное в этих 3D-систем тоже только на границе,» Фостер. «Но теперь наши границы это не 1Д краю государства, они являются 2D поверхностей.»

С помощью «грубой силы численных расчетов поверхностных состояний,» Sbierski, Керхер и Фостер нашли связь между критической 2Д квантовое состояние зала и 3D-систем. Как 1Д пограничного состояния, которое сохраняется выше переход энергии в 2D квантового холловского материалов, расчеты показали стойкое 2Д контура в 3D-системах. И не просто 2D состояние; это точно так же 2Д перколяции государства, что порождает 1Д квантового Холла краевые состояния.

«То, что было дорабатывались топологического квантового фазового перехода в 2D был ‘перевоплотиться’ как универсального состояния поверхности в многомерном Навальный,» Фостер. «В исследовании 2018, Моя группа определила аналогичной связи между другой, более экзотический вид 2Д квантовый эффект Холла и поверхностных состояний другого класса в 3D топологических сверхпроводников. При этом новые доказательства, мы теперь уверены, есть глубокий топологический смысл этих связей, но в настоящее время математики до сих пор остается неясным.»

Топологические сверхпроводники еще не понял экспериментально, но физики пытаются создать их путем добавления примесей в топологических изоляторах. Этот процесс, известный как допинг, широко используется для изготовления других видов нетрадиционных сверхпроводников из изоляторов.

«Теперь у нас есть доказательства того, что три из пяти 3D топологических фаз связана с 2Д фазы, варианты квантовый эффект Холла, и все три 3D этапах могут быть реализованы в топологических сверхпроводниках,'» Фостер.

Фостер общепринятой в физике конденсированного состояния является то, что топологические сверхпроводники бы каждый узел только один защищенный 2Д состояния поверхности и все другие государства будут ущемлены из-за неизбежных дефектов в полупроводниковых материалах, используемых для изготовления сверхпроводников.

Но Sbierski, Керхер и расчеты Фостер предположить, что не так.

«В квантовой зале, можно тюнинговать в любом месте и все равно получить этот надежный плато проводимости, из-за 1D краю государства,» Фостер. «Наша работа предполагает, что дело тоже в 3D. Мы видим стопки критических состояний на разных уровнях энергии, и все они находятся под защитой этого странного перевоплощения 2-го Товом зале переходного состояния.»

Авторы также создали условия для опытно-экспериментальной работы для проверки своих выводов, выработка подробности того, как государства-поверхность 3D этапах должна появиться в различных экспериментальных зондов.

«Мы обеспечиваем точных статистических идентификационных меток на поверхностных состояний в топологических фаз,» Фостер. «Действительные волновые функции являются случайными, из-за расстройства, но их распределений являются универсальными и соответствуют квантового перехода зале».

Исследование было поддержано Национальным научным фондом грант карьеры (1552327), немецкой национальной академии наук Леопольдина (ЛПДС 2018-12), комплект исследовательский грант путешествия, немецкого государственного финансирования, аспирантов и библиотеки Калифорнийского университета в Беркли Беркли детально исследовать влияние инициативы.

сделать разницу: спонсорские возможности