برونو أوتشوا، أستاذ فيزياء المادة المكثفة، وهونج يي شي، زميل ما بعد الدكتوراه في فيزياء المادة المكثفة بجامعة أوكلاهوما. تم النشر بحث في المجلة وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم وهذا يتنبأ بوجود نوع جديد من الإكسيتون. يمكن أن تؤدي هذه الجسيمات إلى تقدم الأجهزة الكمومية المستقبلية.

يتم إنشاء الإكسيتونات عندما ترتبط الإلكترونات المشحونة بشكل معاكس والثقوب التي تنشئها ببعضها البعض. لقد تم العثور على الإكسيتونات منذ فترة طويلة في العوازل وأشباه الموصلات، وهي المواد التي تشغل أجهزة الكمبيوتر الحديثة. في هذا المنشور، توقع أوتشوا وشي وجود نوع جديد من الإكسيتون ذو دوران محدود يسمى “الإكسيتون الطوبولوجي” في فئة من المواد المعروفة باسم عوازل تشيرن.

الطوبولوجيا هي فرع من فروع الرياضيات يدرس خصائص الأشكال والأسطح التي لا تتغير حتى عند تمددها أو إلتواءها أو ثنيها. على سبيل المثال، تصف قطعة الدونات ذات الثقب في المنتصف والكوب ذو الثقب في المقبض الأسطح التي تنتمي إلى نفس الفئة الطوبولوجية لأن كل منهما يمكن أن يتشوه بشكل مستمر إلى الآخر.

يستخدم العلماء الأفكار الطوبولوجية لوصف المواد التي لا تتأثر خصائصها الإلكترونية بالعيوب. يشير Churn إلى فئة في الطوبولوجيا حيث يمكن تمثيل الخصائص الرئيسية للأشكال بأعداد صحيحة.

وقال أوتشوا: “عوازل سيرن هي مواد تسمح للإلكترونات بالانتشار حول حافة المادة، ولكنها لا توصل أي كهرباء داخليا”. “ومع ذلك، فإنها تولد تلقائيًا تيارات أحادية الاتجاه تتدفق إما في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة عند حواف جسم ثنائي الأبعاد. ويتم قياس هذه التيارات أحادية الاتجاه بدقة في الوحدات الأساسية للتيار.”

في هذا العمل، يتوقع أوتشوا وشيه أنه في ظل ظروف محددة جيدًا، تكتسب الإكسيتونات الناتجة عن تسليط الضوء عبر عوازل تشيرن خصائص طوبولوجية تافهة للإلكترونات والثقوب الموجودة في المادة المضيفة. يعد هذا التنبؤ قويًا لأنه يعتمد على مفاهيم أساسية بدلاً من المحاكاة الحاسوبية.

وقالت أنسوفا: “في العوازل، يثير الضوء الإلكترونات من نطاق التكافؤ حيث تتواجد عادة إلى نطاق التوصيل، حيث يمكنها التحرك بحرية”. “عندما يكون هذان النطاقان مختلفين طوبولوجيًا، فإن الإكسيتونات الناتجة تكون طوبولوجية. وبمجرد اضمحلال هذه الإكسيتونات عن طريق إطلاق الطاقة، فمن المتوقع أن ينبعث منها ضوء مستقطب دائريًا تلقائيًا.”

وفقًا لشيه، يمكن استخدام هذه الإكسيتونات الطوبولوجية لتصميم فئة جديدة من الأجهزة البصرية. في درجات الحرارة المنخفضة، يمكن أن تشكل الإكسيتونات نوعًا جديدًا من السوائل الفائقة المحايدة التي يمكن استخدامها لإنشاء بواعث ضوء مستقطبة قوية أو أجهزة ضوئية متقدمة للحوسبة الكمومية.

وقال أوتشوا: “إن التنبؤ بهذا الجسيم المركب سيساعد في إنشاء أجهزة إلكترونية بصرية جديدة تعتمد على الطوبولوجيا”. “لن يساعد هذا في تطبيقات الاتصالات الكمومية فحسب، بل سيساعد أيضًا في هندسة الكيوبتات التي لها حالتين معقدتين، تشغيل وإيقاف، بناءً على دوران أو استقطاب الضوء المنبعث. أنا متحمس جدًا لهذه الاحتمالات.”