Vědci používají topologické izolátory k demonstraci kvantových efektů již více než deset let, ale...
Kvantová fyzika a topologie – dohromady
V posledních letech studium topologickéstavy hmoty přitáhl pozornost fyziků a inženýrů po celém světě. Tento studijní obor kombinuje kvantovou fyziku s topologií, oborem teoretické matematiky, který studuje geometrické vlastnosti, které lze deformovat, ale ne v podstatě měnit. Topologické vlastnosti hmoty jsou důležité jak z hlediska fundamentální fyziky, tak pro aplikace v kvantovém inženýrství a nanotechnologiích nové generace.
Základy kvantové topologie
Hlavní součást zařízení používaného provýzkum záhad kvantové topologie - topologický izolátor. Unikátní zařízení uvnitř funguje jako izolátor, což znamená, že elektrony se uvnitř nemohou volně pohybovat, a proto nevedou elektřinu.
Ale elektrony na okrajích zařízení jsou volnépohybovat, a proto jsou vodivé. Díky speciálním vlastnostem topologie nejsou elektrony proudící po hranách rušeny žádnými defekty nebo deformacemi. Nové zařízení by mohlo nejen zlepšit budoucí technologie, ale také poskytnout hlubší porozumění samotné hmotě prostřednictvím zkoumání jejích kvantových elektronických vlastností.
Co je za problém?
Stále používá materiály a zařízenípro reálné aplikace ve funkčních zařízeních byla problematická. To vše kvůli drsným podmínkám kvantové topologie. Ano, o topologické materiály je nyní obrovský zájem a často se mluví o jejich velkém potenciálu pro praktické aplikace. Ale dokud se při pokojové teplotě neprojeví nějaký makroskopický kvantový topologický efekt, zůstane to všechno jen snem.
Problém je v tom, že prostředí nebo vysokéteploty vytvářejí to, co fyzici nazývají „tepelný šum“. Jednoduše řečeno, jde o zvýšení teploty, při které atomy začnou silně vibrovat. To může narušit fungování jemných kvantových systémů, a tím zničit samotný kvantový stav.
Zejména v topologických izolátorech tytovyšší teploty vytvářejí situaci, kdy elektrony na povrchu izolátoru pronikají do vnitřku izolátoru. To způsobí, že elektrony vedou proud, který oslabuje nebo ničí speciální kvantový efekt.
Dá se to nějak obejít?
Ano, prováděním takových experimentů za podmínekvýjimečně nízké teploty - při absolutní nule nebo tak. Při těchto neuvěřitelně nízkých teplotách atomové a subatomární částice přestávají vibrovat, a proto se s nimi snadněji manipuluje. Vytváření a udržování ultrachladného prostředí je však pro mnoho aplikací nepraktické; je drahý, těžkopádný a vyžaduje obrovské množství energie.
Co vědci udělali?
Fyzici vyvinuli inovativní způsob, jak obejítproblém. Vytvořili nový typ topologického izolátoru z bromidu vizmutitého (chemický vzorec α-Bi 4 Br 4). Je to anorganická krystalická sloučenina, která se někdy používá pro čištění vody a chemické testování. Jak poznamenávají autoři studie, materiál nevyžaduje enormní tlak ani ultravysoké magnetické pole.
Ve své studii se vědci opírali oKvantový Hallův jev je forma topologického jevu, kterou objevil Klaus von Klitzing v roce 1980, za což o pět let později obdržel Nobelovu cenu. Od té doby byly topologické fáze intenzivně studovány. Vědci objevili mnoho nových tříd kvantových materiálů s topologickými elektronickými strukturami, včetně topologických izolátorů, topologických supravodičů, topologických magnetů a Weylových polokovů. Jejich elektronické spektrum je trojrozměrným analogem spektra grafenu.
Poslední dílek skládačky
K dosažení kvantizace při pokojové teplotě vědci použili mřížku kagome.
Termín mříž kagome byl vytvořen japonským fyzikem.Poprvé se objevil v článku z roku 1951, který napsal Ishiro Shoji pod vedením Fushimiho. Kagomesova mřížka se skládá z vrcholů a hran trihexagonální mozaiky. Na rozdíl od názvu tyto průsečíky netvoří matematickou mřížku. Trojúhelníková mozaika je zase jednou z 11 homogenních mozaik na euklidovské rovině tvořených pravidelnými mnohoúhelníky. Mozaika se skládá z pravidelných trojúhelníků a pravidelných šestiúhelníků, uspořádaných tak, že každý šestiúhelník je obklopen trojúhelníky a naopak. Název mozaiky pochází ze skutečnosti, že kombinuje pravidelnou šestihrannou mozaiku a pravidelnou trojúhelníkovou mozaiku.
Topologické izolátory na mřížce kagomemohou být navrženy tak, aby měly relativistické přechody pásem a silné interakce elektron-elektron. Obojí je nezbytné pro nový typ magnetismu.
Mřížové kagome. Autor: N.Mori
Vědci si tedy uvědomili, že kagome magnety jsouslibný systém pro hledání topologických magnetických fází. Samy jsou podobné topologickým izolantům – vše je otázkou vhodné atomové chemie a konstrukčního návrhu.
kam to vede?
Vědci věří, že jejich průlom povede k rozvoji kvantové a nanotechnologie.
Zvláštní dopad bude mít vytvoření nového izolátorupro vývoj kvantových technologií příští generace. Výzkumníci také věří, že průlom urychlí vývoj účinnějších a „zelenějších“ kvantových materiálů.
Co bude dál?
Podle vědců se nyní teoretické a experimentální zaměření výzkumného týmu soustředí dvěma směry.
Za prvé, vědci chtějí pochopit, co jinéhotopologické materiály mohou pracovat při pokojové teplotě. A co je důležité, poskytněte dalším odborníkům nástroje a nové měřicí techniky k identifikaci materiálů, které budou fungovat při pokojových a vysokých teplotách.
Přečtěte si více:
Archeologové oficiálně potvrdili legendy z Bible
Ukázalo se, co se stane s buňkami těla, když srdce zemře
Signál Starlink byl hackerem použit jako alternativa k GPS