Material kuantum magnetik memungkinkan transportasi listrik satu arah untuk perangkat masa depan
Para ilmuwan di Penn State dan Saint Louis University telah menunjukkan bahwa material kuantum magnetik secara alami dapat menghasilkan perilaku kuantum yang tidak biasa yang sebelumnya sebagian besar dieksplorasi oleh para peneliti melalui sistem optik dan elektronik yang direkayasa secara khusus. Terobosan ini dapat membuka jalan praktis menuju sensor canggih dan perangkat kuantum masa depan dengan kemampuan melebihi elektronik konvensional. Tim ini menggabungkan dua bidang penelitian kuantum yang berkembang pesat dengan menggunakan bahan topologi magnetik untuk mempelajari fisika non-Hermitian, sebuah bidang baru yang meneliti sistem dengan perilaku tidak konvensional. Temuan mereka, yang dipublikasikan di Science Advances, menunjukkan bahwa material itu sendiri dapat menghasilkan efek ini tanpa bergantung pada platform buatan yang kompleks. Platform kuantum alami Fisika non-Hermitian semakin menarik minat karena memprediksi perilaku yang tidak dapat dijelaskan dengan mudah oleh model fisik standar. Beberapa sistem menjadi sangat sensitif terhadap gangguan kecil, sehingga menarik untuk teknologi penginderaan. Yang lain memaksa keadaan listrik atau kuantum berkumpul di lokasi tertentu alih-alih menyebar secara merata ke seluruh perangkat. Para peneliti mendemonstrasikan efek tersebut menggunakan isolator kuantum anomali Hall (QAH), bahan topologi magnetik yang menghalangi arus listrik melalui bagian dalamnya tetapi memungkinkan elektron bergerak di sepanjang tepinya hanya dalam satu arah. Gerakan satu arah itu menciptakan jalur listrik yang terarah secara alami. Jaringan elektronik konvensional biasanya berperilaku sama di kedua arah. Materi QAH mematahkan simetri tersebut, memungkinkan sinyal merambat secara berbeda tergantung arahnya. “Kami ingin menunjukkan bahwa fenomena ini dapat muncul secara alami dalam material kuantum,” kata Morteza Kayyalha, asisten profesor teknik elektro di Penn State. Dia mengatakan pekerjaan ini membangun landasan untuk sistem non-Hermitian yang dapat diskalakan menggunakan bahan kuantum, bukan hanya bergantung pada desain berbasis optik atau sirkuit. Keadaan tepi mengungkapkan fisika Tim peneliti membuat perangkat berbentuk cincin dari film tipis bismut antimon tellurida yang didoping secara magnetis yang diproduksi di Konsorsium Kristal Dua Dimensi Penn State. Berbeda dengan perangkat kuantum Hall tradisional, material ini tidak memerlukan medan magnet eksternal setelah magnetisasi, sehingga eksperimen menjadi jauh lebih mudah. “Keuntungan utama dari platform QAH ini adalah, setelah material dimagnetisasi, keadaan tepi kiral dapat dipelajari pada medan magnet nol,” kata Kayyalha. Dia menambahkan bahwa fitur tersebut menjadikannya platform yang menjanjikan untuk menyelidiki perilaku non-Hermitian dalam material kuantum elektronik. Para ilmuwan menghubungkan beberapa kontak listrik di sekitar setiap cincin mikroskopis dan melacak bagaimana sinyal listrik bergerak di antara cincin tersebut. Pengukuran tersebut memungkinkan para peneliti untuk merekonstruksi jaringan konduktansi material dan membandingkannya dengan model teoritis Hatano-Nelson yang terkenal. Eksperimen tersebut mengungkapkan ciri-ciri efek kulit non-Hermitian, di mana keadaan kuantum terkonsentrasi di dekat salah satu ujung sistem dan bukannya terdistribusi secara merata. Para peneliti telah mengamati fenomena tersebut sebelumnya pada platform yang direkayasa, namun mendemonstrasikannya di dalam material kuantum topologi menandai kemajuan yang signifikan. Terhadap perangkat praktis Tim juga menunjukkan bahwa mereka dapat menyesuaikan perilaku material menggunakan tegangan gerbang, memberikan peneliti cara lain untuk mempelajari bagaimana transportasi listrik mempengaruhi dinamika non-Hermitian. Meskipun penelitian ini berfokus pada fisika fundamental, implikasinya bisa lebih luas lagi. Menggabungkan material kuantum topologi dengan fisika non-Hermitian pada akhirnya memungkinkan detektor ultra-sensitif yang mampu merespons sinyal listrik, magnet, dan lingkungan lainnya yang sangat kecil. Kayyalha mengatakan isolator topologi magnetik menawarkan platform yang fleksibel untuk menjawab pertanyaan mendasar tentang transportasi kuantum dan topologi. Dia mencatat bahwa pendekatan fabrikasi sudah mendukung manufaktur skala komersial. Tantangan selanjutnya adalah mengidentifikasi aplikasi penginderaan praktis yang dapat memanfaatkan efek kuantum yang baru ditunjukkan ini.
Diterbitkan : 2026-07-10 00:21:00
sumber : interestingengineering.com
