أدى اكتشاف تأثير هول الكمي إلى الحصول على ثلاث جوائز نوبل وازدهار المجال للمراحل الطوبولوجية للمادة الكمومية، وعادة ما يتم ملاحظة تأثير القاعة الكمومية في 2D، حيث كان تحقيق تأثير هول الكمي في الأبعاد الثلاثية تحديًا طويل الأمد.

 

ما هي نظريات تأثيرات قاعدة الكم ثلاثية الأبعاد

 

تنبأ المتحدث ومجموعته البحثية بآلية جديدة لتأثير القاعة الكمومية ثلاثية الأبعاد في شبه المعادن الطوبولوجية، تُعرف شبه المعادن الطوبولوجية التي تستضيف حالات سطح محمية طوبولوجيًا باسم أقواس فيرمي، حيث يمكن أن تشكل أقواس فيرمي الموجودة على سطحين متقابلين غاز إلكترون ثنائي الأبعاد يدعم تأثير هول الكمي ثلاثي الأبعاد.

 

تقدم قاعدة الكم ثلاثية الأبعاد هذه مثالاً على حالات الحدود (d-2) ذات الأبعاد في المراحل الطوبولوجية ذات الترتيب الأعلى للمادة، من ناحية أخرى تمت ملاحظة آلية موجة كثافة الشحنة لتأثير هول الكمي ثلاثي الأبعاد مؤخرًا، في 2019 طور المتحدث ومجموعته البحثية نظرية لآلية موجات كثافة الشحنة (CDW) لتأثير هول الكمي ثلاثي الأبعاد وتعايش انتقال العازل الفوقي.

 

يمكن للنظرية التقاط السمات الرئيسية في التجربة والأهم من ذلك أنه يمثل حالة نادرة، حيث يمكن لمجال مغناطيسي واحد أن يؤدي إلى انتقال طور معلمة ترتيب في بعد واحد ولكن انتقال طوبولوجي في بعدين آخرين.

 

هل يمكن ملاحظة القاعدة الكمومية في صورة ثلاثية الأبعاد

 

يصعب تحقيق (QHE) في الأبعاد الثلاثية لأن مستويات لانداو تنتشر في الطاقة على طول اتجاه المجال المغناطيسي، ونتيجة لذلك بغض النظر عن مكان تواجد طاقة فيرمي تساهم مستويات لانداو في حالات تملأ الفجوة وتدمر هضاب مقاومة القاعة.

 

ما الذي يسبب تأثير هول الكمي: يحدث تأثير هول عندما يتم وضع الجسيمات المشحونة المتحركة في مجال مغناطيسي مع اتجاه متعامد مع سرعات الجسيمات، إذا تم افتراض أن هذه الجسيمات المشحونة هي إلكترونات في تيار تتحرك في لوح ثنائي الأبعاد من المادة.

 

نظرية آلية الشحنة والكثافة والموجة

 

تتشكل آلية الشحنة والكثافة والموجة (CDW) على نطاق أحادي البعد (1D) من مستويات لانداو، والذي يعتمد بشدة على المجال المغناطيسي ومع ذلك فإن نظريتها لا تزال غير موجودة، قام العلماء بتطوير نظرية لآلية (CDW) لتأثير القاعة الكمومية ثلاثية الأبعاد؛ حيث يمكن للنظرية التقاط السمات الرئيسية في التجارب وعندما تم الانتقال إلى المرحلة الثانية المستحثة بالمجال المغناطيسي إلى مرحلة (CDW) وجد أن تفاعلات الإلكترون-فونون بدلاً من تفاعلات الإلكترون والإلكترون تهيمن على معلمة الطلب.

 

وقد أشار العلماء أن تقاطع (CDW) غير متناسب في التجربة والأهم من ذلك تستكشف هذه النظرية حالة نادرة، حيث يمكن للمجال المغناطيسي أن يؤدي إلى انتقال طور متغير الترتيب في اتجاه واحد، ولكن انتقال طوبولوجي في اتجاهين آخرين، كلاهما يعتمد على مجال مغناطيسي واحد.

 

تعميم نظرية تأثير هول الكمي ثلاثي الأبعاد لأقواس فيرمي

 

تم التنبؤ نظريًا بتأثير القاعة الكمومية (QHE) الذي يُلاحظ عادةً في الأنظمة ثنائية الأبعاد، ويتم ملاحظته تجريبياً في شبه معدنية طوبولوجية ثلاثية الأبعاد، ومع ذلك هناك بعض التناقضات بين النظرية والتجارب تبين أن النظرية غير كاملة.

 

قام العلماء بتعميم نظرية 3D القاعة الكمومية لأقواس فيرمي في (Weyl semimetal)، ومن خلال حساب موصلية القاعة للوحة (Weyl semimetal slab)؛ يتبين أن القاعة الكمومية ثلاثي الأبعاد لأقواس فيرمي يمكن أن يحدث في نطاق طاقة كبير وأن تبعيات سمك القاعة الكمومية في طاقات فيرمي المختلفة متميزة.

 

عندما تكون طاقة فيرمي بالقرب من عقد ويل، فإن أقواس فيرمي تؤدي إلى القاعة الكمومية المستقل عن سمك اللوح، وعندما لا تكون طاقة فيرمي بالقرب من عقد ويل، فقد يشكل قوسي فيرمي حلقة فيرمي كاملة بمساعدة الحالات السائبة، مما يؤدي إلى القاعة الكمومية الذي يعتمد على سمك العينة، وقد وضح العلماء أيضًا كيف تؤثر مصطلحات متباينة الخواص في النطاق على القاعة الكمومية  لأقواس فيرمي.

 

تقيس مقاومة هول مدى سهولة ثني الشحنات التي تتحرك في مجال كهربائي مطبق بواسطة مجال مغناطيسي عمودي، حيث أن هذه المقاومة التي تعتمد على شغل الحالات الإلكترونية المتاحة تختلف باستمرار باختلاف المجال المغناطيسي في مادة نموذجية، لكن في نظام ثنائي الأبعاد شديد البرودة في مجال مغناطيسي قوي بدرجة كافية ترتفع مقاومة هول فقط بخطوات الهضاب؛ لأن المجال يجبر الإلكترونات في الجزء الأكبر من المادة على الاستلقاء في نطاقات مسطحة ذات طاقة كمية.