Учените използват топологични изолатори, за да демонстрират квантови ефекти повече от десетилетие, но...
Квантова физика и топология – заедно
През последните години изследването на топологсъстоянията на материята привлече вниманието на физици и инженери по целия свят. Тази област на изследване съчетава квантовата физика с топологията, клон на теоретичната математика, който изучава геометрични свойства, които могат да бъдат деформирани, но не и съществено променени. Топологичните свойства на материята са важни както от гледна точка на фундаменталната физика, така и за приложения в квантовото инженерство и нанотехнологиите от следващо поколение.
Основи на квантовата топология
Основният компонент на устройството, използвано заизследване на мистериите на квантовата топология - топологичен изолатор. Уникалното устройство действа като изолатор отвътре, което означава, че електроните вътре не могат да се движат свободно и следователно не провеждат електричество.
Но електроните в краищата на устройството са свободни дасе движат и следователно са проводими. Благодарение на специалните свойства на топологията, електроните, протичащи по краищата, не се намесват от никакви дефекти или деформации. Новото устройство може не само да подобри бъдещите технологии, но и да осигури по-задълбочено разбиране на самата материя чрез изследване на нейните квантови електронни свойства.
Какъв е проблемът?
Все още се използват материали и устройстваза реални приложения във функционални устройства беше проблематично. Всичко това се дължи на суровите условия на квантовата топология. Да, сега има огромен интерес към топологичните материали и хората често говорят за големия им потенциал за практически приложения. Но докато някакъв макроскопичен квантов топологичен ефект не се прояви при стайна температура, всичко това ще остане само мечта.
Проблемът е, че околната среда или високотемпературите създават това, което физиците наричат „топлинен шум“. С прости думи, това е повишаване на температурата, при което атомите започват да вибрират силно. Това може да наруши работата на фините квантови системи, като по този начин унищожи самото квантово състояние.
По-специално, в топологичните изолатори тезипо-високите температури създават ситуация, при която електроните на повърхността на изолатора навлизат във вътрешността на изолатора. Това кара електроните да провеждат ток, което отслабва или унищожава специалния квантов ефект.
Има ли начин да се заобиколи това?
Да, чрез провеждане на такива експерименти при условияизключително ниски температури - около абсолютната нула. При тези невероятно ниски температури атомните и субатомните частици спират да вибрират и следователно са по-лесни за манипулиране. Въпреки това създаването и поддържането на ултрастудена среда е непрактично за много приложения; това е скъпо, тромаво и изисква огромно количество енергия.
Какво са направили учените?
Физиците разработиха иновативен начин за заобикалянепроблем. Те създадоха нов тип топологичен изолатор от бисмутов бромид (химическа формула α-Bi 4 Br 4). Това е неорганично кристално съединение, което понякога се използва за пречистване на вода и химически тестове. Както отбелязват авторите на изследването, материалът не изисква огромно налягане или свръхсилно магнитно поле.
В своето изследване учените разчитат наКвантовият ефект на Хол е форма на топологичен ефект, открит от Клаус фон Клицинг през 1980 г., за който той получава Нобелова награда пет години по-късно. Оттогава топологичните фази се изучават интензивно. Учените са открили много нови класове квантови материали с топологични електронни структури, включително топологични изолатори, топологични свръхпроводници, топологични магнити и полуметали на Weyl. Техният електронен спектър е триизмерен аналог на спектъра на графена.
Последното парче от пъзела
За да постигнат квантуване при стайна температура, учените са използвали решетката на kagome.
Терминът kagome решетка е въведен от японски физик.За първи път се появява в статия от 1951 г., написана от Иширо Шоджи под ръководството на Фушими. Кагомесовата решетка се състои от върховете и ръбовете на трихексагонална мозайка. Противно на името, тези пресечни точки не образуват математическа решетка. От своя страна трихексоъгълната мозайка е една от 11-те хомогенни мозайки в евклидовата равнина, съставени от правилни многоъгълници. Мозайката се състои от правилни триъгълници и правилни шестоъгълници, подредени така, че всеки шестоъгълник е заобиколен от триъгълници и обратно. Името на мозайката идва от факта, че съчетава правилна шестоъгълна мозайка и правилна триъгълна мозайка.
Топологични изолатори върху решетка на кагомемогат да бъдат проектирани да имат релативистични пресичания на ленти и силни електрон-електронни взаимодействия. И двете са необходими за нов тип магнетизъм.
Решетка kagome. Автор: Н. Мори
Така че учените разбраха, че kagome магнитите саобещаваща система за търсене на топологични магнитни фази. Самите те са подобни на топологичните изолатори - всичко е въпрос на подходяща атомна химия и структурен дизайн.
Накъде води?
Изследователите вярват, че техният пробив ще доведе до развитието на квантовите и нанотехнологиите.
Създаването на нов изолатор ще има особено въздействиеза разработването на следващо поколение квантови технологии. Изследователите също така вярват, че пробивът ще ускори разработването на по-ефективни и „зелени“ квантови материали.
Какво следва?
Според учените сега теоретичният и експериментален фокус на изследователския екип е концентриран в две посоки.
Първо, учените искат да разберат какви другитопологичните материали могат да работят при стайна температура. И което е важно, осигурете на други експерти инструменти и нови техники за измерване, за да идентифицирате материали, които ще работят при стайна и висока температура.
Прочетете още:
Археолозите официално потвърдиха легендите от Библията
Оказа се какво се случва с клетките на тялото, когато сърцето умре
Сигналът на Starlink е хакнат, за да се използва като алтернатива на GPS