Forskere har brugt topologiske isolatorer til at demonstrere kvanteeffekter i mere end et årti, men...
Kvantefysik og topologi - sammen
I de seneste år, studiet af topologiskmateriens tilstande har tiltrukket sig opmærksomhed fra fysikere og ingeniører rundt om i verden. Dette studieområde kombinerer kvantefysik med topologi, en gren af teoretisk matematik, der studerer geometriske egenskaber, der kan deformeres, men ikke væsentligt ændres. Stoffets topologiske egenskaber er vigtige både set ud fra grundlæggende fysik og for anvendelser inden for kvanteteknik og næste generations nanoteknologi.
Grundlag for kvantetopologi
Hovedkomponenten i den enhed, der bruges tilforskning i kvantetopologiens mysterier - topologisk isolator. Den unikke enhed fungerer som en isolator på indersiden, hvilket betyder, at elektronerne indeni ikke kan bevæge sig frit og derfor ikke leder elektricitet.
Men elektroner ved kanterne af enheden er fri tilbevæger sig og er derfor ledende. Takket være topologiens specielle egenskaber bliver elektroner, der strømmer langs kanterne, ikke forstyrret af nogen defekter eller deformationer. Den nye enhed kunne ikke kun forbedre fremtidige teknologier, men også give en dybere forståelse af selve stoffet ved at udforske dets kvanteelektroniske egenskaber.
Hvad er problemet?
Bruger stadig materialer og enhederfor rigtige applikationer i funktionelle enheder var problematisk. Alt sammen på grund af kvantetopologiens barske forhold. Ja, der er efterhånden en enorm interesse for topologiske materialer, og folk taler ofte om deres store potentiale for praktiske anvendelser. Men indtil en eller anden makroskopisk kvantetopologisk effekt manifesterer sig ved stuetemperatur, vil det hele kun forblive en drøm.
Problemet er, at miljøet eller højtemperaturer skaber det, fysikere kalder "termisk støj". Med enkle ord er dette en temperaturstigning, hvor atomer begynder at vibrere kraftigt. Dette kan forstyrre driften af subtile kvantesystemer og derved ødelægge selve kvantetilstanden.
Især i topologiske isolatorer dissehøjere temperaturer skaber en situation, hvor elektroner på overfladen af isolatoren trænger ind i det indre af isolatoren. Dette får elektronerne til at lede strøm, hvilket svækker eller ødelægger den særlige kvanteeffekt.
Er der en vej udenom dette?
Ja, ved at udføre sådanne eksperimenter under forholdusædvanligt lave temperaturer - ved det absolutte nulpunkt eller deromkring. Ved disse utroligt lave temperaturer holder atomare og subatomare partikler op med at vibrere og er derfor nemmere at manipulere. Men at skabe og vedligeholde et ultrakoldt miljø er upraktisk til mange applikationer; det er dyrt, besværligt og kræver enormt meget energi.
Hvad har forskerne gjort?
Fysikere har udviklet en innovativ måde at omgåproblem. De skabte en ny type topologisk isolator ud fra vismutbromid (kemisk formel α-Bi 4 Br 4). Det er en uorganisk krystallinsk forbindelse, der nogle gange bruges til vandrensning og kemiske tests. Som forfatterne til undersøgelsen bemærker, kræver materialet ikke et enormt tryk eller et ultrahøjt magnetfelt.
I deres undersøgelse stolede forskerne påKvante Hall-effekten er en form for topologisk effekt, som blev opdaget af Klaus von Klitzing i 1980, som han fik Nobelprisen for fem år senere. Siden da er topologiske faser blevet undersøgt intensivt. Forskere har opdaget mange nye klasser af kvantematerialer med topologiske elektroniske strukturer, herunder topologiske isolatorer, topologiske superledere, topologiske magneter og Weyl-halvmetaller. Deres elektroniske spektrum er en tredimensionel analog af grafenspektret.
Den sidste brik i puslespillet
For at opnå kvantisering ved stuetemperatur brugte forskerne kagome-gitteret.
Udtrykket kagome gitter blev opfundet af en japansk fysiker.Det dukkede først op i en artikel fra 1951 skrevet af Ishiro Shoji under ledelse af Fushimi. Kagomes-gitteret består af hjørnerne og kanterne af en tresekskantet mosaik. I modsætning til navnet danner disse skæringspunkter ikke et matematisk gitter. Til gengæld er en trihexagonal mosaik en af de 11 homogene mosaikker på det euklidiske plan lavet af regulære polygoner. Mosaikken består af regulære trekanter og regulære sekskanter, arrangeret således, at hver sekskant er omgivet af trekanter, og omvendt. Mosaikkens navn kommer af, at den kombinerer en regulær sekskantet mosaik og en almindelig trekantet mosaik.
Topologiske isolatorer på et kagome gitterkan designes til at have relativistiske båndkrydsninger og stærke elektron-elektron-interaktioner. Begge er nødvendige for en ny type magnetisme.
Gitter kagome. Forfatter: N.Mori
Så videnskabsmænd indså, at kagome-magneter eret lovende system til at søge efter topologiske magnetiske faser. De ligner selv topologiske isolatorer - det hele er et spørgsmål om passende atomkemi og strukturelt design.
Hvor fører det hen?
Forskerne mener, at deres gennembrud vil føre til udviklingen af kvante- og nanoteknologi.
Skabelsen af en ny isolator vil have en særlig indflydelsetil udvikling af næste generations kvanteteknologier. Forskerne mener også, at gennembruddet vil fremskynde udviklingen af mere effektive og "grønne" kvantematerialer.
Hvad er næste?
Ifølge videnskabsmænd er forskerholdets teoretiske og eksperimentelle fokus nu koncentreret i to retninger.
For det første ønsker videnskabsmænd at forstå, hvad andettopologiske materialer kan fungere ved stuetemperatur. Og, hvad der er vigtigt, forsyn andre eksperter med værktøjer og nye måleteknikker til at identificere materialer, der vil fungere ved stuetemperaturer og høje temperaturer.
Læs mere:
Arkæologer har officielt bekræftet legenderne fra Bibelen
Det viste sig, hvad der sker med kroppens celler, når hjertet dør
Starlink-signal hacket til at blive brugt som et alternativ til GPS