Seit mehr als einem Jahrzehnt nutzen Wissenschaftler topologische Isolatoren, um Quanteneffekte zu demonstrieren, aber...
Quantenphysik und Topologie - zusammen
In den letzten Jahren ist das Studium der TopologieMateriezustände haben die Aufmerksamkeit von Physikern und Ingenieuren auf der ganzen Welt auf sich gezogen. Dieser Studienbereich verbindet Quantenphysik mit Topologie, einem Zweig der theoretischen Mathematik, der geometrische Eigenschaften untersucht, die verformt, aber nicht wesentlich verändert werden können. Die topologischen Eigenschaften der Materie sind sowohl aus Sicht der Grundlagenphysik als auch für Anwendungen in der Quantentechnik und der Nanotechnologie der nächsten Generation wichtig.
Grundlage der Quantentopologie
Der Hauptbestandteil des Geräts, für das verwendet wirdErforschung der Geheimnisse der Quantentopologie – topologischer Isolator. Das einzigartige Gerät wirkt im Inneren als Isolator, was bedeutet, dass sich die Elektronen im Inneren nicht frei bewegen können und daher keinen Strom leiten.
Aber die Elektronen an den Rändern des Geräts sind freibewegen sich und sind daher leitfähig. Dank der besonderen Eigenschaften der Topologie werden die entlang der Kanten fließenden Elektronen nicht durch Defekte oder Verformungen beeinträchtigt. Das neue Gerät könnte nicht nur zukünftige Technologien verbessern, sondern durch die Erforschung ihrer quantenelektronischen Eigenschaften auch ein tieferes Verständnis der Materie selbst ermöglichen.
Was ist das Problem?
Ich verwende immer noch Materialien und Gerätefür reale Anwendungen in funktionsfähigen Geräten war problematisch. Alles aufgrund der harten Bedingungen der Quantentopologie. Ja, das Interesse an topologischen Materialien ist mittlerweile riesig und es wird oft von ihrem großen Potenzial für praktische Anwendungen gesprochen. Aber bis sich bei Raumtemperatur ein makroskopischer quantentopologischer Effekt manifestiert, wird das alles nur ein Traum bleiben.
Das Problem ist, dass die Umgebung hoch istTemperaturen erzeugen das, was Physiker „thermisches Rauschen“ nennen. Vereinfacht ausgedrückt handelt es sich hierbei um einen Temperaturanstieg, bei dem Atome beginnen, stark zu schwingen. Dies kann die Funktionsweise subtiler Quantensysteme stören und dadurch den Quantenzustand selbst zerstören.
Insbesondere bei topologischen Isolatoren sind dieseHöhere Temperaturen führen dazu, dass Elektronen auf der Oberfläche des Isolators in das Innere des Isolators eindringen. Dadurch leiten die Elektronen Strom, wodurch der spezielle Quanteneffekt abgeschwächt oder zerstört wird.
Gibt es eine Möglichkeit, dies zu umgehen?
Ja, indem man solche Experimente unter Bedingungen durchführtaußergewöhnlich niedrige Temperaturen – etwa am absoluten Nullpunkt. Bei diesen unglaublich niedrigen Temperaturen hören atomare und subatomare Teilchen auf zu schwingen und sind daher leichter zu manipulieren. Allerdings ist die Schaffung und Aufrechterhaltung einer ultrakalten Umgebung für viele Anwendungen unpraktisch; Es ist teuer, umständlich und erfordert viel Energie.
Was haben die Wissenschaftler getan?
Physiker haben einen innovativen Weg zur Umgehung entwickeltProblem. Sie schufen einen neuen Typ eines topologischen Isolators aus Wismutbromid (chemische Formel α-Bi 4 Br 4). Es handelt sich um eine anorganische kristalline Verbindung, die manchmal zur Wasserreinigung und für chemische Tests verwendet wird. Wie die Autoren der Studie anmerken, erfordert das Material keinen enormen Druck oder ein ultrahohes Magnetfeld.
In ihrer Studie stützten sich die Wissenschaftler daraufDer Quanten-Hall-Effekt ist eine Form des topologischen Effekts, der 1980 von Klaus von Klitzing entdeckt wurde und für den er fünf Jahre später den Nobelpreis erhielt. Seitdem wurden topologische Phasen intensiv untersucht. Wissenschaftler haben viele neue Klassen von Quantenmaterialien mit topologischen elektronischen Strukturen entdeckt, darunter topologische Isolatoren, topologische Supraleiter, topologische Magnete und Weyl-Halbmetalle. Ihr elektronisches Spektrum ist ein dreidimensionales Analogon des Spektrums von Graphen.
Das letzte Puzzleteil
Um eine Quantisierung bei Raumtemperatur zu erreichen, verwendeten die Wissenschaftler das Kagome-Gitter.
Der Begriff Kagome-Gitter wurde von einem japanischen Physiker geprägt.Es erschien erstmals 1951 in einem Artikel, der von Ishiro Shoji unter der Leitung von Fushimi verfasst wurde. Das Kagomes-Gitter besteht aus den Eckpunkten und Kanten eines dreieckigen Mosaiks. Entgegen dem Namen bilden diese Schnittpunkte kein mathematisches Gitter. Ein trihexagonales Mosaik wiederum ist eines der 11 homogenen Mosaike auf der euklidischen Ebene, die aus regelmäßigen Polygonen bestehen. Das Mosaik besteht aus regelmäßigen Dreiecken und regelmäßigen Sechsecken, die so angeordnet sind, dass jedes Sechseck von Dreiecken umgeben ist und umgekehrt. Der Name des Mosaiks rührt daher, dass es ein regelmäßiges sechseckiges Mosaik und ein regelmäßiges dreieckiges Mosaik kombiniert.
Topologische Isolatoren auf einem Kagome-Gitterkönnen so gestaltet werden, dass sie relativistische Bandkreuzungen und starke Elektron-Elektron-Wechselwirkungen aufweisen. Beides ist für eine neue Art von Magnetismus notwendig.
Gitter-kagome. Autor: N.Mori
So erkannten Wissenschaftler, dass es Kagome-Magnete gibtein vielversprechendes System zur Suche nach topologischen magnetischen Phasen. Sie selbst ähneln topologischen Isolatoren – alles ist eine Frage der geeigneten Atomchemie und des Strukturdesigns.
Wohin führt es?
Die Forscher glauben, dass ihr Durchbruch zur Entwicklung der Quanten- und Nanotechnologie führen wird.
Besondere Auswirkungen wird die Schaffung eines neuen Isolators habenfür die Entwicklung von Quantentechnologien der nächsten Generation. Die Forscher gehen außerdem davon aus, dass der Durchbruch die Entwicklung effizienterer und „grünerer“ Quantenmaterialien beschleunigen wird.
Was weiter?
Laut Wissenschaftlern konzentriert sich der theoretische und experimentelle Fokus des Forschungsteams nun auf zwei Richtungen.
Erstens wollen Wissenschaftler verstehen, was sonst noch passiertTopologische Materialien können bei Raumtemperatur betrieben werden. Und was noch wichtiger ist: Stellen Sie anderen Experten Werkzeuge und neue Messtechniken zur Verfügung, um Materialien zu identifizieren, die bei Raumtemperatur und hohen Temperaturen funktionieren.
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