ارمغان یک جرم کوانتومی جدید برای عصر کوانتوم

نوع جدیدی از جرم کوانتومی شناسایی شده است که می‌تواند حوزه نوظهور اوربیترونیک را متحول کند. اوربیترونیک از حالت‌های کوانتومی چرخشی الکترون‌ها برای ایجاد دستگاه‌های محاسباتی نسل بعدی استفاده می‌کند که سریع‌تر و کارآمدتر هستند و مصرف انرژی آنها بسیار پایین‌تر است.

به نقل از ادونسد ساینس نیوز، اوربیترونیک به عنوان یک جانشین بالقوه برای الکترونیک سنتی در نظر گرفته می‌شود که در آن، داده‌ها با کنترل جریان‌های الکتریکی در ترانزیستورها ذخیره، منتقل و تنظیم می‌شوند. اگرچه اندازه ترانزیستور به مقیاس اتمی نزدیک می‌شود تا اجزای بیشتری را در یک سیستم رایانه‌ای جا دهد اما در نهایت محدودیتی وجود خواهد داشت که نمی‌گذارد ترانزیستور کوچک‌تر شود.

از سوی دیگر، اوربیترونیک با رمزگذاری اطلاعات در حرکت چرخشی الکترون‌ها هنگام حرکت در اطراف هسته خود، یک جایگزین امیدوارکننده را ارائه می‌دهد. با وجود این، دستیابی به این هدف در عمل دشوار است. در بیشتر مواد، الکترون‌ها به دور هسته‌های خود در جهت مخالف می‌چرخند و تکانه زاویه‌ای مداری جمعی آنها را خنثی می‌کنند. حتی زمانی که میدان‌های الکترومغناطیسی برای ایجاد تکانه مداری خالص اعمال می‌شوند، الگوهای حاصل معمولا ناپایدار هستند و کنترل آنها چالش‌برانگیز است.

چیزی که در این میان وجود ندارد، یک پیکربندی قوی و پایدار است که به عنوان «تک‌قطبی تکانه زاویه‌ای مداری» شناخته می‌شود و یک پیکربندی متشکل از چندین الکترون پیش‌بینی شده که می‌تواند ذخیره‌سازی و پردازش داده‌های مداری را امکان‌پذیر و عملی کند.

مواد مورد استفاده در این پژوهش، متعلق به گروهی از مواد شناخته‌شده به عنوان «نیمه‌فلزات توپولوژیکی کایرال» هستند که ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارند و این ویژگی‌ها آنها را به مواد امیدوارکننده‌ای برای کاربردهای اوربیترونیک تبدیل می‌کند.

مواد کایرال فاقد تقارن آینه‌ای هستند؛ به این معنی که ساختار آنها به طور طبیعی یک‌دست است و بر رفتار ذرات درون آنها تأثیر می‌گذارد. مواد توپولوژیکی دارای ویژگی‌های الکترونیکی هستند که انعطاف آنها را در برابر اختلالات رخ‌داده در وضعیت مواد مانند ورود ناخالصی‌ها یا تأثیرات اعمال‌شده بر مواد توسط محیط افزایش می‌دهد.

ترکیب کایرال و حفاظت توپولوژیکی که در هر دو ماده مورد استفاده در این پژوهش رخ می‌دهد، آنها را به گزینه‌های ایده‌آل برای مطالعه حالت‌های کوانتومی عجیب تبدیل می‌کند.

«مایکل شولر»(Michael Schüler) سرپرست گروه «مرکز محاسبات علمی، نظریه و داده» در «موسسه پل شرر»(PSI) واقع در سوئیس و دانشیار فیزیک «دانشگاه فریبورگ»(University of Fribourg) گفت: این یک مزیت قابل توجه برای مواد است زیرا برای به دست آوردن بافت‌ها نیازی به اعمال محرک‌های بیرونی وجود ندارد. آنها ویژگی ذاتی ماده هستند. این ویژگی می‌تواند ایجاد جریان‌های پایدار و کارآمد را بدون نیاز به شرایط خاص آسان‌تر کند.

علاوه بر این، پژوهش تئوری می‌تواند انواع کاملا جدیدی را از پیکربندی‌های الکترون نشان دهد که قابلیت‌های اوربیترونیک را تقویت می‌کنند. این حالت‌های الکترونی مکان‌سازی‌نشده می‌توانند کنترل بی‌سابقه‌ای را بر ذخیره‌سازی و انتقال اطلاعات فراهم آورند و ما را به یک تحول در فناوری محاسباتی نزدیک‌تر کنند.

این پژوهش در مجله «Nature Physics» به چاپ رسید.