كيف نُعيد الإلكترونات إلى خشبة المسرح
سطح البلورة يشبه خشبة مسرح يفترض أن تؤدي عليها الإلكترونات عروضها. في مادة MnBi2Te4 يجري على السطح حالات خاصة تجعلها موصلة من الخارج فقط، بينما تبقى في الداخل عازلة. والخواص المغناطيسية تفتح في هذه الحالات فجوة، أي نطاقًا من الطاقة لا يمكن للإلكترونات أن تشغله. هذه الفجوة ضرورية لتأثير هول الكمي الشاذ (quantum anomalous Hall effect)، حيث تتغير المقاومة على شكل درجات صارمة.
لكن في العينات الحقيقية تكاد الفجوة تختفي. السبب هو العيوب: فذرات المنغنيز والبزموت تتبادل أماكنها أحيانًا في الشبكة البلورية. هذا التبادل يخفض الجهد الكهربائي على السطح، فتنزلق الحالات الإلكترونية إلى الداخل، مثل ممثلين طُردوا من خشبة المسرح. وهناك يكون التأثير المغناطيسي أضعف، فتغلق الفجوة ويختفي التأثير.
وجد العلماء طريقة لإعادة الإلكترونات إلى خشبة المسرح. فعند تطبيق مجال كهربائي خارجي يرتفع جهد السطح وتعود الحالات إلى الظهور. مجال بجهد 0.1 فولت يستعيد الفجوة إلى 11–24 ميلي إلكترون فولت. وهناك طريق آخر: وضع عازل قطبي فوق المادة، مثل In2Te3، الذي يعمل بمجاله الداخلي كمخرج غير مرئي يعيد الحالات إلى السطح.
الأكثر إثارة للاهتمام أن اتجاه المجال يعمل كمفتاح كهربائي. فبتغيير الإشارة يمكن نقل المادة من حالة ذات موصلية هول صفرية إلى حالة ذات قيمة كمومية e²/h. وهذا يعني أنه بدون مجال مغناطيسي، وبمجرد تأثير كهربائي، يمكن التحكم في النقل الكمومي. وهكذا تعود الحياة إلى خشبة المسرح، وتعود الإلكترونات إلى ضوء الكشافات.
الفجوة المغناطيسية في MnBi2Te4 النقي متوقع أن تكون 90 ميلي إلكترون فولت، وهو ما يعادل درجة حرارة حوالي 1000 كلفن، لكن في العينات الحقيقية بسبب العيوب تكاد تختفي، ولم يُلاحظ تأثير هول الكمي الشاذ إلا عند درجات حرارة أقل من 1 كلفن.
فكرة التحكم في الحالات التوبولوجية بواسطة مجال كهربائي تذكرنا بمفهوم «الترانزستورات التوبولوجية» في الخيال العلمي، حيث يتم تبديل الحالات الكمومية دون تيار، فقط بتغيير الجهد.