สนามแม่เหล็กขนาดใหญ่มักเป็นตัวทำลายความเป็นตัวนำยิ่งยวด แต่ขณะนี้นักวิจัยในสหรัฐฯ ได้ประดิษฐ์วัสดุที่มีตัวนำยิ่งยวดพร้อมๆ กันและแสดงเอฟเฟกต์ควอนตัมฮอลล์ ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ต้องใช้สนามแม่เหล็กแรงสูง วัสดุใหม่นี้ทำจากแกลเลียมไนไตรด์และไนโอเบียมไนไตรด์ระดับนาโนสเกล สามารถใช้สำหรับการคำนวณควอนตัม “ทอพอโลยี” และสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ประหยัดพลังงานมากขึ้น
เอฟเฟกต์ควอนตัมฮอลล์เกิดขึ้นเมื่อกระแสไหลผ่าน
ตามความยาวของแผ่นตัวนำบาง ๆ ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่แม่นยำอย่างยิ่งบนพื้นผิวตรงข้ามของแผ่น แรงดันไฟฟ้านี้เกิดขึ้นเฉพาะเมื่อมีการใช้สนามแม่เหล็กแรงสูงในแนวตั้งฉากกับแผ่นงาน และถูกหาปริมาณ กล่าวคือ สามารถเปลี่ยนแปลงได้ในขั้นตอนที่ไม่ต่อเนื่องเท่านั้น ผลที่ตามมาอีกประการหนึ่งคือสถานะทางอิเล็กทรอนิกส์บนพื้นผิวของแผ่นงานสองมิติ (2D) ถูกกล่าวว่าเป็น “การป้องกันทางทอพอโลยี” การป้องกันนี้เกิดขึ้นเนื่องจากอิเล็กตรอนในสถานะ “ขอบ” เหล่านี้สามารถเคลื่อนที่ได้ในทิศทางเดียวเท่านั้น และพวกมันยังชี้นำความไม่สมบูรณ์หรือข้อบกพร่องในวัสดุโดยไม่มีการสะท้อนกลับ เนื่องจากการสะท้อนกลับเป็นกระบวนการหลักในการกระจายพลังงานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ สถานะที่ได้รับการป้องกันดังกล่าวอาจเป็นส่วนประกอบที่มีประโยชน์ในอุปกรณ์ประหยัดพลังงานรุ่นต่อไป
ประโยชน์ที่สำคัญอีกประการหนึ่งคืออิเล็กตรอนขอบที่มีโมเมนตัมบางอย่างไม่สามารถกระจายไปสู่สถานะที่มีโมเมนตัม (หรือสปิน) ตรงกันข้ามได้เนื่องจากจะต้องพลิกสปิน สถานะที่มีการป้องกันทางทอพอโลยีอาจเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานคอมพิวเตอร์ควอนตัมซึ่งข้อบกพร่องมักจะทำลายข้อมูลที่อยู่ในสถานะการหมุนของอิเล็กตรอน
สถานะอิเล็กตรอนตัวนำยิ่งยวดที่ได้รับการป้องกันทางทอพอโลยีในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมานักวิจัยได้พยายามสร้างโครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้าง – เซมิคอนดักเตอร์ 2 มิติที่ปลูกบนตัวนำยิ่งยวด – ซึ่งสถานะของอิเล็กตรอนที่ประกอบเป็นตัวนำยิ่งยวดนั้นได้รับการปกป้องด้วยโทโพโลยี supercurrent นี้มาจากอิเล็กตรอนที่มีสปินตรงกันข้ามที่จับคู่และสามารถเคลื่อนที่ผ่านวัสดุได้โดยไม่มีความต้านทานต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต วัสดุที่สามารถรองรับ supercurrents ดังกล่าวมี จำกัด อย่างไรก็ตาม
เนื่องจากสนามแม่เหล็กที่จำเป็นในการสร้างเอฟเฟกต์
ควอนตัมฮอลล์จะทำลายความเป็นตัวนำยิ่งยวด – ไม่ว่าจะโดยการทำลายคู่อิเล็กตรอนหรือพยายามทำให้อิเล็กตรอนทั้งสองหมุนไปในทิศทางเดียวกัน
ปรับเปลี่ยนกระบวนการเติบโตในงานชิ้นใหม่นี้ นักวิจัยจากCornell University , Naval Research LaboratoryและQorvo Inc. ได้ออกแบบโครงสร้าง heterostructures จากชั้นนาโนของสารกึ่งตัวนำแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) บนไนโอเบียมไนไตรด์ที่มีตัวนำยิ่งยวด (NbN) วัสดุทั้งสองนี้มีโครงสร้างผลึกและคุณสมบัติทางเคมีที่คล้ายคลึงกัน และงานก่อนหน้านี้โดยทีมเดียวกันแสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถถูกทำให้เป็น heterostructure หลายชั้นได้โดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า epitaxial growth
วัสดุเหล่านี้ถูกใช้เป็นประจำในไดโอดเปล่งแสงและทรานซิสเตอร์สำหรับผลิตภัณฑ์ เช่น สมาร์ทโฟนและไฟบ้าน และทีมงานก็เลือกใช้วัสดุเหล่านี้ส่วนหนึ่งเนื่องจากทนทาน อย่างไรก็ตาม พวกมันมีข้อบกพร่องเชิงโครงสร้างมากกว่าวัสดุที่มีความสำคัญทางเทคโนโลยีอื่นๆ เช่น ซิลิกอน เพื่อลดจำนวนของข้อบกพร่อง และสร้าง heterostructure ที่มีคุณภาพสูงขึ้น นักวิจัยได้ปรับเปลี่ยนกระบวนการเติบโตที่ใช้ในการศึกษาก่อนหน้านี้ การปรับเปลี่ยนนี้ยังช่วยให้พวกเขาสามารถออกแบบตำแหน่งของอิเล็กตรอนใน GaN บน NbN ได้อย่างแม่นยำ
การกระตุ้นของอิเล็กตรอนแบบรวมสลายเอฟเฟกต์ควอนตัมฮอลล์ในกราฟีน”หน้าต่าง” ของอุณหภูมิและสนามแม่เหล็กที่แคบนักวิจัยได้ใช้การวัดความต้านทานเทียบกับแรงดันประตูที่ใช้ที่อุณหภูมิ 390 mK นักวิจัยพบว่าตัวนำยิ่งยวดในชั้น NbN ที่ปรับปรุงแล้วสามารถอยู่รอดได้โดยใช้สนามแม่เหล็กที่สูงถึง 17.8 เทสลา ในขณะเดียวกัน เซมิคอนดักเตอร์ GaN ที่ปรับปรุงแล้วมีคุณภาพสูงพอที่จะแสดงเอฟเฟกต์ควอนตัมฮอลล์ที่สนามแม่เหล็กที่ต่ำกว่า 15 ตัน
การปรับปรุงทั้งสองนี้หมายถึงเอฟเฟกต์
ควอนตัมฮอลล์และตัวนำยิ่งยวดสามารถเกิดขึ้นได้ในเวลาเดียวกันในโครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้างบางอย่าง ‘ หน้าต่างของอุณหภูมิและสนามแม่เหล็ก (นั่นคือต่ำกว่า 1 K และระหว่างสนามแม่เหล็กที่ 15 ถึง 17.8 T)” ผู้เขียนนำการศึกษาPhillip Dangกล่าวกับPhysics World
ทีมงานกล่าวว่าโครงสร้าง heterostructure ใหม่ของ GaN/NbN สามารถใช้ในการคำนวณควอนตัมและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่อุณหภูมิต่ำได้ รายงานการทำงานของพวกเขาในScience Advancesนักวิจัยกล่าวว่าขณะนี้พวกเขาวางแผนที่จะตรวจสอบปฏิสัมพันธ์ระหว่างความเป็นตัวนำยิ่งยวดและผลกระทบของควอนตัมฮอลล์ในวัสดุนี้
เซ็นเซอร์ควอนตัมที่อิงตามอินเตอร์เฟอโรเมทรีของอะตอมเย็นเป็นหนึ่งในเครื่องมือที่แม่นยำที่สุดในฟิสิกส์พื้นฐาน โดยมีการใช้งานที่คาดการณ์ไว้ซึ่งรวมถึงการทำแผนที่โครงสร้างใต้ดินและการสร้างระบบนำทางที่แม่นยำยิ่งขึ้น อย่างไรก็ตาม ความเร็วของพวกมันถูกจำกัดโดยข้อเท็จจริงที่ว่าโดยทั่วไปกระบวนการวัดจะทำลายตัวอย่างอะตอมที่เตรียมอย่างระมัดระวัง ซึ่งหมายความว่าจะต้องสร้างตัวอย่างใหม่สำหรับการวัดแต่ละครั้ง ใช้เวลาสองสามร้อยมิลลิวินาทีสำหรับเซ็นเซอร์ที่เร็วที่สุด
นักวิจัยจากSYRTEใน Observatoire de Paris ของฝรั่งเศสได้พัฒนาวิธีการใหม่แบบไม่ทำลายซึ่งใช้ไมโครเวฟเพื่อวัดจำนวนหรือจำนวนประชากรของอะตอมในรัฐควอนตัมเฉพาะ วิธีการใหม่นี้ช่วยให้ผู้ทดลองทำการวัดด้วยการตรวจจับควอนตัมได้เกือบ 30,000 ครั้งต่อวินาที ซึ่งเป็นอัตราที่ทำให้สามารถทำแบบสำรวจขนาดใหญ่ให้เสร็จตามระยะเวลาที่แข่งขันกับอุปกรณ์เชิงพาณิชย์ในปัจจุบันได้
การวัดอะตอมเย็นแบบไม่ทำลายสามารถทำได้โดยใช้วิธีการที่มีอยู่ อย่างไรก็ตาม ระบบออปติคัลที่ซับซ้อนมักต้องการทำให้ยากต่อการสร้างเซ็นเซอร์ขนาดกะทัดรัดและใช้งานได้จริง ทีม SYRTE ของWilliam Dubosclard , Seungjin Kim และCarlos L Garrido Alzarแก้ปัญหานี้ด้วยการพัฒนาระบบที่ใช้ไมโครเวฟแทน วิธีแก้ปัญหาของพวกเขาใช้ข้อเท็จจริงที่ว่ากำลังไมโครเวฟที่แผ่โดยเสาอากาศไปยังตัวกลางนั้นขึ้นอยู่กับความต้านทานการแผ่รังสีของตัวกลางนั้น
Credit : zakopanetours.net ianwalk.com immergentrecords.com imperialvalleyusbc.org inmoportalgalicia.
