Würzburg Julius Maximilian Universiteti tərəfindən

Sadie Harley tərəfindən redaktə edilib , Robert Egan tərəfindən nəzərdən keçirilib

 Redaktorların qeydləri

 GIST

Tercih edilən mənbə kimi əlavə edin

A. Sol: D1 cihazının bucaqlı fotoşəkili. Sağ: Eyni cihazın optik mikroskop təsviri (yapışdırmadan əvvəl). A–D hərfləri xarici perimetr boyunca kontaktları, a–d hərfləri daxili perimetr boyunca kontaktları, G isə qapı kontaktını göstərir. B. Tədqiq olunan iki D1 və D2 cihazının hər biri üçün kontakt həndəsəsinin böyüdülmüş optik mikroskop təsviri. Mənbə: Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-75851-7

Vürzburq Universitetinin tədqiqatçıları topoloji izolyatorda olduqca möhkəm elektrik daşınmasını aşkar etməyə müvəffəq olublar. Bu, yeni metroloji tətbiqlərə səbəb ola bilər. İş Nature Communications jurnalında dərc olunub .

Metrologiya ölçmə elmidir. Onun məqsədi ölçmə nəticələrinin dünya miqyasında, məsələn, sənayedə və ya elmi təcrübələrdə müqayisə edilə bilən və etibarlı olmasını təmin etməkdir. Sözdə fundamental sabitlər və ya işıq sürəti və ya Plank sabiti kimi dəyişməz fiziki kəmiyyətlər bu kontekstdə getdikcə daha vacib rol oynayır.

Dəyərləri universal olduğundan, yəni məkan və zamandan asılı olmadığı üçün yüksək sabit vahidlərin təyin olunmasına imkan verir və yüksək dərəcədə təkrarlana bilən ölçmə nəticələrini təmin edir. 2019-cu ildən bəri Beynəlxalq Vahidlər Sistemi, SI (Système international d’unités sözünün qısaltması) tamamilə bu sabitlərə əsaslanır.

Elektrik müqavimətinin dəqiq ölçülməsi burada mühüm rol oynayır. “Məlum olur ki, müəyyən şərtlər altında ikiölçülü materialın elektrik müqaviməti universal bir dəyərə malik ola bilər və bu, Plank sabitinin h-nin elementar yükün kvadratına e nisbəti ilə müəyyən edilir”, – deyə Vürzburq Universitetinin (JMU) Topoloji İzolyatorlar İnstitutunun fizik və tədqiqatın əsas müəllifi Kajetan Fiyalkovski izah edir.

“Belə bir xüsusiyyət hər hansı bir maddi xüsusiyyətdən asılı deyil və bu, onu təkrar istehsal üçün əla edir – tam olaraq standartdan istədiyimiz şey.”

2007-ci ildə topoloji izolyatorlar adlanan yeni bir material sinfi ortaya çıxdı. Onlar metrologiya üçün olduqca faydalı olan müəyyən elektrik xüsusiyyətlərinə malikdirlər. Yeni iş bunu araşdırır.

Kvantlaşdırılmış elektrik nəqliyyatı necə işləyir

Bir çox insan fizika dərslərindən klassik Holl effektini yəqin ki, hələ də xatırlayacaq: Maqnit sahəsinə məruz qalan keçiricidən cərəyan axdıqda, Holl gərginliyi adlanan gərginlik yaranır. Bu gərginliyi cərəyana bölməklə əldə edilən Holl müqaviməti maqnit sahəsinin gücü artdıqca artır.

Lakin, nazik təbəqələrdə (insan saçından təxminən 10.000 dəfə nazik) və kifayət qədər güclü maqnit sahələrində (Yerinkindən təxminən 100.000 dəfə güclü) bu müqavimət diskret addımlar inkişaf etdirir. Bu addımlar tam olaraq h/ne² dəyərlərinə malikdir, burada h Plank sabiti, e elementar yük və n tam ədəddir.

Bu fenomen kvant Holl effekti kimi tanınır. Müqavimət yalnız fundamental fiziki sabitlərdən (h və e) asılıdır və bu, onu bu günə qədər ən dəqiq müqavimət standartı edir.

Əslində, müasir, ən müasir metroloji təcrübələr h/e²-ni 10⁻¹¹-də cəmi bir neçə hissə nisbi xəta ilə ölçməyə imkan verir. Fijalkovski izah edir ki, “Bu, Yer kürəsinin çevrəsini bir neçə millimetr (düymün bir hissəsi) dəqiqliklə ölçmək kimidir”.

Topoloji izolyatorları metrologiya üçün xüsusi edən nədir

Maqnit topoloji izolyatoru kimi tanınan müəyyən bir topoloji izolyator növü, kvant anomal Holl effekti (QAHE) kimi tanınan unikal bir Holl effekti nümayiş etdirə bilər. Bu, xüsusi bir haldır, çünki heç bir xarici maqnit sahəsi tətbiq edilmədikdə belə, Holl müqaviməti dəqiq müəyyən edilmiş bir dəyər alır (h və e ilə də verilir).

Fijalkovski izah edir ki, “Xarici maqnit sahəsi olmadan işləmək elektrik müqaviməti və gərginlik standartlarını və ya yüksək dəqiqlikli istinadları vahid universal elektrik istinad cihazında birləşdirməyə imkan verir. Bu, həmçinin kiloqramın müəyyən edilməsi üçün standartın qurulması üçün də əhəmiyyətlidir, bu standart qismən elektrik standartlarından asılıdır.”

Bunun səbəbi, gərginlik istinad nöqtəsinin yalnız xarici maqnit sahəsi olmadan işləyə bilməsidir. Buna görə də güclü maqnit sahələri tələb edən ənənəvi kvant Holl effekti bu kombinasiya üçün uyğun deyil.

Gündəlik məlumat üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosdakı ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz bülletenimizə abunə olun və vacib olan nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklərdən xəbərdar olun .

Ölçmələrdə texniki maneələr

QAHE-nin müqavimət standartı kimi istifadəsi son dərəcə aşağı temperatur və son dərəcə aşağı cərəyanlar da daxil olmaqla son dərəcə çətin təcrübə şərtləri tələb edir. QAHE üçün tələb olunan temperatur 100 millikelvinin altındadır (-273°C-dən aşağı, -459°F; mütləq sıfırdan cəmi 0,1 dərəcə yuxarı) və bu da durulaşdırma soyuducuları kimi tanınan bahalı kriogen sistemlərin istifadəsini tələb edir.

Bunun əksinə olaraq, kvant Holl effekti 4,2 K (-269°C, -452°F) temperaturda işləyə bilər ki, bu da maye heliumdan istifadə etməklə əldə etmək nisbətən asandır. Bundan əlavə, o, QAHE-dən xeyli yüksək elektrik cərəyanlarında işləyir. Bu iki amil hazırda QAHE-nin müqavimət ölçmə texnologiyasında praktik tətbiqlərini məhdudlaşdırır.

Vürzburq Universitetinin tədqiqat qrupu artıq nümayiş etdirib ki, maqnit topoloji izolyatorunda kvantlanmış kənar daşınması 4,2 K (-269°C, -452°F) və daha yüksək temperaturda işləyərkən əvvəllər düşünüləndən xeyli yüksək ölçmə cərəyanlarına tab gətirə bilər ki, bu da metrologiyada gələcək tətbiqlərin perspektivləri üçün vacibdir. Buna nail olmaq üçün tədqiqatçılar elektrokimyəvi potensial balanslaşdırma adlanan inkişaf etdirdikləri metoddan istifadə ediblər.

Normalda, ölçmə cərəyanı nümunənin keçirici kənarları arasında güclü bir elektrik sahəsi yaradır. Lakin, bu sahə müəyyən bir gücü aşarsa, elektronlar materialın içərisindən bir kənardan digərinə keçə bilər. Nəticə etibarilə, Holl müqaviməti dəqiq müəyyən edilmiş dəyərini itirir.

Fiyalkovski izah edir ki, “Nisbətən sadə bir elektrik dövrəsindən istifadə edərək, kənarlar arasındakı gərginlik fərqini kompensasiya edə və beləliklə, bu elektrik sahəsini aradan qaldıra bilərik. Bu o deməkdir ki, Hall müqaviməti hətta əhəmiyyətli dərəcədə yüksək ölçmə cərəyanlarında belə sabit qalır.”

“Bu dövrə, daha yüksək temperaturda nümunənin içərisində cərəyanın axma üsulunu əhəmiyyətli dərəcədə sadələşdirir və elektron topoloji xüsusiyyətlərin əslində kvantlanmış və möhkəm qaldığı qənaətinə gəlməyimizə imkan verir.”

Əlavə tədqiqatlar planlaşdırılır

Nəticələr göstərir ki, fundamental səviyyədə QAHE ənənəvi kvant Holl effekti qədər möhkəmdir. Bununla belə, ölçmə texnologiyasında istifadə edilməzdən əvvəl hələ də aradan qaldırılmalı olan böyük bir maneə var: Tədqiq olunan şərtlər altında universal müqavimət dəyəri (h/e²) hələlik 4.2 K-də tələb olunan dəqiqliklə birbaşa ölçülə bilməz.

Fijalkovski izah edir ki, “Temperaturun bir qədər artması belə, istənilən topoloji cərəyan daşınması ilə yanaşı, materialda əlavə keçirici yolların əmələ gəlməsinə səbəb olur”. Bu istənməyən cərəyanlar ölçməyə təsir göstərir və müqavimətin dəqiq müəyyən edilmiş dəyərdən yayınmasına səbəb olur.

Fijalkovski deyir: “Metodumuz göstərir ki, topoloji töhfə praktik tətbiqlər üçün kifayət qədər güclüdür. İndi materialdakı əlavə keçiriciliyi azaltmaq üçün bir yol tapmalıyıq.” QAHE-nin yüksək temperaturda işləməsinə imkan verə biləcək potensial yeni material sistemlərinin axtarışı davam edir.

Nəşr detalları

Kajetan M. Fijalkowski və digərləri, Kvant anomal Hall izolyatorunda kvant adiabatik nəqliyyatı, Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-75851-7

Jurnal məlumatları: Nature Communications 

Əsas anlayışlar

müqavimətNəqliyyat hadisələriTopoloji materiallarElektrik texnikaları

Vürzburq Julius Maksimilian Universiteti tərəfindən təmin edilir