ملخصات الأبحاث

التحويل الكَمِّي لـ"مايورانا"، وتأثير "هول" الكَمِّي الحراري نصف الصحيح 

.Y. Kasahara et al

  • Published online:

يتضمن تأثير "هول" الكَمِّي في الغازات الإلكترونية ثنائية الأبعاد تدفق تيارات شحنة عديمة التبدد، محصنة طوبولوجيًّا على امتداد حواف عينة. وتقترن القدرة على التوصيل الكهربائي الصحيحة بتيارات الحافة الخاصة بالإلكترونات، والقدرة على التوصيل الكهربائي الكسرية بأشباه الجسيمات التي لها شحنات كسرية. وقد تم التنبؤ بأن ظواهر "هول" الكمية يمكن أن تنشأ أيضًا بواسطة تيارات حافة ذات مصدر مختلف تمامًا؛ هو تجزئة اللفات المغزلية الكمية، إلا أن مثل هذا التحويل الكمِّي لم يُرصَد حتى الآن.

يعلن الباحثون - في البحث المنشور - عن رصد هذا النوع من التحويل الكمِّي لتأثير "هول" في مغناطيس كَمِّي عازل ثنائي الأبعاد، وهو α-RuCl3، بتفاعل "كيتاف" سائد (تفاعل من نوع "إيسينج"، يعتمد على الرابطة) على شبيكة خلية نحل ثنائية الأبعاد. وتوصّل الباحثون إلى أن تطبيق مجال مغناطيسي موازٍ للعينة يدمر الترتيب المغناطيسي طويل المدى، ما يؤدي إلى حالة قاعية مستحثة بالمجال للسائل المغزلي الكمي بدرجة عالية من تشابك اللفات المغزلية الموضعية. وفي النظام منخفض الحرارة لهذه الحالة، تَبْلُغ موصلية "هول" الحرارية ثنائية الأبعاد سقفًا كَمِّيًّا كدالة في المجال المغناطيسي المطبق، وتكون لها قيمة تحويل كمي تبلغ بالضبط نصف موصلية "هول" الحرارية ثنائية الأبعاد لتأثير هول الكمي الصحيح. ويُعَد هذا التحويل الكمي نصف الصحيح لموصلية "هول" الحرارية في مادة كتلية علامة على تيارات حافة غير انطباقية محصنة طوبولوجيًّا لفرميونات مايورانا متعادلة الشحنة (الجسيمات التي تمثّل الجسيمات المضادة لذاتها)، التي لها نصف درجات الحرية التي تتمتع بها الفرميونات التقليدية.

تُدَلِّل هذه النتائج على تجزئة اللفات المغزلية إلى فرميونات "مايورانا" متنقلة، وتدفقات Z2، المتنبأ حدوثها في سوائل "كيتاف" المغزلية الكمية. وفوق حقل مغناطيسي حرج، يختفي التحويل الكمي، وتبلغ موصلية "هول" الحرارية ثنائية الأبعاد الصفرَ سريعًا، ما يشير إلى انتقال طوبولوجي للطور الكَمِّي بين الحالات التي لها أنماط حافة "مايورانا" غير انطباقية، والحالات التي ليست لها تلك الأنماط. ومن المتوقع أن يكون لفرميونات مايورانا الناشئة في مغناطيس كَمِّي تأثير كبير على المادة الكمية وثيقة الارتباط؛ ما يتيح إمكانية الحوسبة الكمية الطوبولوجية عند درجات حرارة عالية نسبيًّا.