محققان تلاش برای یافتن حالت جدیدی از ماده، دریافتند که الکترون‌های روی سطح مواد خاص، همانند ابرقهرمانان بسیار کوچک عمل می‌کنند؛ این الکترون‌ها به شکلی شجاعانه از موانع صخره‌مانندی که توسط میکروساختارهای سطحی ناقص ایجاد می‌شوند، عبور کرده و در برخی موارد به‌طور مستقیم از دل این موانع رد می‌شوند.
کشف رفتار عجیب الکترون‌ها در فلز آنتیموان
گروهی از محققان دانشگاه پرینستون در تلاش برای یافتن حالت جدیدی از ماده، دریافتند که الکترون‌های روی سطح مواد خاص، همانند ابرقهرمانان بسیار کوچک عمل می‌کنند؛ این الکترون‌ها به‌شکلی شجاعانه از موانع صخره‌مانندی که توسط میکروساختارهای سطحی ناقص ایجاد می‌شوند، عبور کرده و در برخی موارد به‌طور مستقیم از دل این موانع رد می‌شوند.
این رفتار الکترونی برای اولین بار است که مشاهده و ضبط می‌شود و امکان تولید مدارات مجتمع سریعی را که اطلاعات را از طریق جریان الکترون‌ها میان دو ابزار پردازش می‌کنند، ایجاد می‌کند. این مواد جدید قابلیت از بین بردن گلوگاه‌هایی را که با کوچک‌تر شدن اتصالات فلزی ایجاد می‌شوند، دارا هستند. این کوچک شدن موجب می‌شود که حتی نواقص بسیار کوچک اتمی در عملکرد این اتصالات مشکل ایجاد نمایند.
به‌طور معمول نواقص ساختاری در مسیر حرکت الکترون‌ها مشکل ایجاد می‌کنند. با این حال تئوری‌های اخیر پیش‌بینی می‌کنند که الکترون‌های روی سطح برخی مواد که حاوی عناصر خاصی همچون آنتیموان هستند، این مشکل را نخواهند داشت. پروفسور علی یزدانی استاد فیزیک دانشگاه پرینستون که رهبری این پژوهش را بر عهده داشته است می‌گوید یکپارچگی جریان در این مواد از شکل خاصی از موج الکترونی نشأت می‌گیرد که به نظر می‌رسد الگوی جریان را در اطراف هر نقص تغییر می‌دهد.
الکترون‌ها می‌توانند در تعداد محدودی از مواد میان اتم‌ها جست و خیز نموده و درون این مواد یا روی سطح آنها آزادانه حرکت کنند. این الکترون‌های آزاد مسئول ایجاد جریان الکتریکی هستند. در بسیاری از مواد الکترون‌های درونی بخش عمده جریان الکتریکی را حمل می‌کنند و الکترون‌های سطحی تحرک بسیار پایینی دارند.
کار انجام شده در دانشگاه پرینستون بخشی از کار روی مواد خاصی محسوب می‌شود که عایق‌های توپولوژیک نامیده می‌شوند. اینها موادی هستند که در درون خود به‌عنوان عایق عمل کرده ولی اجازه حرکت الکترون‌ها را در سطح خود می‌دهند. این رفتار زمانی اتفاق می‌افتد که یک میدان مغناطیسی به‌صورت عمودی روی سطح ماده اعمال شود؛ به این پدیده اثر کوانتومی هال می‌گویند. در یک تحقیق بین‌المللی که بخشی از آن را گروهی از پژوهشگران دانشگاه پرینستون به رهبری پروفسور زاهد حسن برعهده داشته‌اند، نوع جدیدی از عایق‌های توپولوژیک کشف شدند که این رفتار را حتی زمانی که میدان مغناطیسی اعمال نمی‌شود، از خود بروز می‌دهند.
توپولوژی یکی از حوزه‌های اصلی ریاضی است که با ویژگی‌هایی سر و کار دارد که حتی هنگام تغییر شکل ماده، مثل کشیده شدن، خود را حفظ می‌کنند.
بسیاری از مواد «توپولوژیک» مانند آنتیموان در اقتصاد جهانی بسیار مهم بوده‌اند؛ با این حال رسانایی سطحی غیرمعمول آنها تاکنون مطالعه نشده است. بخشی از مشکل به سختی اندازه‌گیری جریان الکترون‌ها در سطح مربوط می‌شود. اما محققان دانشگاه پرینستون از یک روش میکروسکوپی خاص استفاده کرده‌اند که آنها را قادر می‌‌سازد از الکترون‌ها در سطح مواد به شکلی دقیق تصویربرداری نمایند.
این محققان با استفاده از میکروسکوپ خاص خود دریافتند که الکترون‌های سطحی آنتیموان به‌شکلی عجیب از نواقص ساختاری عبور می‌کنند. این نواقص در بسیاری از مواد همچون مس مانع عبور الکترون‌ها می‌شوند.
جزئیات این تحقیق در شماره ۱۵ جولای مجله Nature منتشر شده است.
