Впервые физики наблюдали новые квантовые эффекты в топологическом изоляторе при комнатной температуре. Этот прорыв произошел, когда сотрудники Принстонского университета исследовали топологический материал на основе висмута. «Хайтек» рассказывает главное.
Ученые использовали топологические изоляторы для демонстрации квантовых эффектов более десяти лет, но в новом эксперименте их впервые наблюдали при комнатной температуре. Как правило, для индуцирования и наблюдения квантовых состояний в топологических изоляторах требуется температура около абсолютного нуля (−273 °C).
Квантовая физика и топология — вместе
В последние годы изучение топологических состояний материи привлекло внимание физиков и инженеров во всем мире. Эта область исследований объединяет квантовую физику с топологией — разделом теоретической математики, которая изучает геометрические свойства, которые можно деформировать, но не изменить по сути. Топологические свойства материи важны как с точки зрения фундаментальной физики, так и для применения в квантовой инженерии и нанотехнологиях следующего поколения.
Основа квантовой топологии
Основной компонент устройства, используемый для исследования тайн квантовой топологии — топологический изолятор. Уникальное устройство действует как изолятор внутри, а, значит, электроны внутри не могут свободно перемещаться и, следовательно, не проводят электричество.
Но электроны на краях устройства могут свободно перемещаться, а, значит, являются проводящими. Благодаря особым свойствам топологии, текущим по краям электронам не мешают какие-либо дефекты или деформации. Новое устройство может не только улучшить технологии будущего, но и дает более глубокое понимание самой материи путем исследования ее кванто-электронных свойств.
В чем проблема?
До сих пор использовать материалы и устройства для реальных приложений в функциональных устройствах было проблематично. Все из-за жестких условий квантовой топологии. Да, сейчас существует огромный интерес к топологическим материалам, и люди часто говорят об их большом потенциале для практического применения. Но до тех пор, пока какой-то макроскопический квантовый топологический эффект не будет проявляться при комнатной температуре, это все останется лишь мечтой.
Проблема в том, что окружающая среда или высокие температуры создают то, что физики называют «тепловым шумом». Простыми словами — это повышение температуры, при котором атомы начинают сильно вибрировать. Это может нарушить работу тонких квантовых систем, тем самым уничтожить само квантовое состояние.
В частности, в топологических изоляторах эти более высокие температуры создают ситуацию, при которой электроны на поверхности изолятора вторгаются внутрь изолятора. Это заставляет электроны проводить ток, что ослабляет или разрушает особый квантовый эффект.
Это можно обойти?
Да, проводя такие эксперименты в условиях исключительно низких температур — при абсолютном нуле или около того. При этих невероятно низких температурах атомные и субатомные частицы перестают вибрировать, и, следовательно, ими легче манипулировать. Однако создание и поддержание ультрахолодной среды нецелесообразно для многих приложений; это дорого, громоздко и требует огромного количество энергии.
Что сделали ученые?
Физики разработали инновационный способ обойти проблему. Они создали топологический изолятор нового типа из бромида висмута (химическая формула α-Bi 4 Br 4). Это неорганическое кристаллическое соединение, которое иногда используется для очистки воды и проведения химических анализов. Как отмечают авторы исследования, материал не требует гигантского давления или сверхвысокого магнитного поля.
В своем исследовании ученые опирались на квантовый эффект Холла — форму топологического эффекта, который открыл Клаус фон Клитцинг в 1980 году, за что через пять лет получил Нобелевскую премию. С тех пор топологические фазы интенсивно изучаются. Ученые обнаружили много новых классов квантовых материалов с топологическими электронными структурами, включая топологические изоляторы, топологические сверхпроводники, топологические магнетики и полуметаллы Вейля. Их электронный спектр которых является трехмерным аналогом спектра графена.
Последняя часть мозаики
Чтобы добиться квантования при комнатной температуре, ученые использовали решетку кагомэ.
Термин решетка кагомэ ввел японский физик. Он впервые появился в статье 1951 года, написанной Иширо Сёдзи под руководством Фусими. Решетка кагомэсостоит из вершин и ребер тришестиугольной мозаики. Вопреки названию, эти пересечения не образуют математическую решетку. В свою очередь тришестиугольная мозаика — это одна из 11 однородных мозаик на евклидовой плоскости из правильных многоугольников. Мозаика состоит из правильных треугольников и правильных шестиугольников, расположенных так, что каждый шестиугольник окружен треугольниками, и наоборот. Название мозаики вызвано тем фактом, что она комбинирует правильную шестиугольную мозаику и правильную треугольную мозаику.
Топологические изоляторы на решетке кагомэ можно спроектировать таким образом, чтобы они обладали релятивистскими пересечениями зон и сильными электрон-электронными взаимодействиями. И то, и другое необходимо для магнетизма нового типа.
Так ученые поняли, что магниты кагомэ — это многообещающая система для поиска топологических магнитных фаз. Они сами похожи на топологические изоляторы — все дело в подходящей атомной химии и структурном дизайне.
К чему это приведет?
Исследователи считают, что их прорыв приведет к развитию квантовых и нанотехнологий.
Особое влияние создание нового изолятора окажется на развитие то квантовых технологий следующего поколения. Также исследователи считают, что прорыв ускорит разработку более эффективных и «зеленых» квантовых материалов.
Что дальше?
По словам ученых, сейчас теоретическая и экспериментальная направленность группы исследователей сосредоточена в двух направлениях.
Во-первых, ученые хотят понять, какие другие топологические материалы могут работать при комнатной температуре. И, что важно, предоставить другим экспертам инструменты и новые методы измерения для определения материалов, которые будут работать при комнатной и высоких температурах.
Читать далее:
Археологи официально подтвердили сказания из Библии
Выяснилось, что происходит с клетками тела, когда умирает сердце
Сигнал Starlink взломали, чтобы использовать его в качестве альтернативы GPS