Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν τοπολογικούς μονωτές για να επιδείξουν κβαντικά αποτελέσματα για περισσότερο από μια δεκαετία, αλλά...
Κβαντική φυσική και τοπολογία - μαζί
Τα τελευταία χρόνια, η μελέτη της τοπολογικήςκατάσταση της ύλης έχει προσελκύσει την προσοχή φυσικών και μηχανικών σε όλο τον κόσμο. Αυτό το πεδίο μελέτης συνδυάζει την κβαντική φυσική με την τοπολογία, έναν κλάδο των θεωρητικών μαθηματικών που μελετά τις γεωμετρικές ιδιότητες που μπορούν να παραμορφωθούν αλλά όχι ουσιαστικά. Οι τοπολογικές ιδιότητες της ύλης είναι σημαντικές τόσο από την άποψη της θεμελιώδους φυσικής όσο και για εφαρμογές στην κβαντική μηχανική και τη νανοτεχνολογία επόμενης γενιάς.
Βάση κβαντικής τοπολογίας
Το κύριο εξάρτημα της συσκευής που χρησιμοποιείται γιαέρευνα στα μυστήρια της κβαντικής τοπολογίας - τοπολογικός μονωτής. Η μοναδική συσκευή λειτουργεί ως μονωτής στο εσωτερικό, που σημαίνει ότι τα ηλεκτρόνια στο εσωτερικό δεν μπορούν να κινηθούν ελεύθερα και ως εκ τούτου δεν άγουν ηλεκτρισμό.
Αλλά τα ηλεκτρόνια στα άκρα της συσκευής είναι ελεύθερακινούνται και επομένως είναι αγώγιμα. Χάρη στις ειδικές ιδιότητες της τοπολογίας, τα ηλεκτρόνια που ρέουν κατά μήκος των άκρων δεν παρεμβάλλονται από ελαττώματα ή παραμορφώσεις. Η νέα συσκευή θα μπορούσε όχι μόνο να βελτιώσει τις μελλοντικές τεχνολογίες, αλλά και να παρέχει μια βαθύτερη κατανόηση της ίδιας της ύλης διερευνώντας τις κβαντικές ηλεκτρονικές της ιδιότητες.
Ποιο είναι το πρόβλημα?
Εξακολουθεί να χρησιμοποιεί υλικά και συσκευέςγια πραγματικές εφαρμογές σε λειτουργικές συσκευές ήταν προβληματική. Όλα οφείλονται στις σκληρές συνθήκες της κβαντικής τοπολογίας. Ναι, υπάρχει πλέον τεράστιο ενδιαφέρον για τα τοπολογικά υλικά και οι άνθρωποι συχνά μιλούν για τις μεγάλες δυνατότητές τους για πρακτικές εφαρμογές. Αλλά μέχρι να εκδηλωθεί κάποιο μακροσκοπικό κβαντικό τοπολογικό φαινόμενο σε θερμοκρασία δωματίου, όλα αυτά θα παραμείνουν απλώς ένα όνειρο.
Το πρόβλημα είναι ότι το περιβάλλον ή υψηλήοι θερμοκρασίες δημιουργούν αυτό που οι φυσικοί αποκαλούν «θερμικό θόρυβο». Με απλά λόγια, αυτή είναι μια αύξηση της θερμοκρασίας στην οποία τα άτομα αρχίζουν να δονούνται έντονα. Αυτό μπορεί να διαταράξει τη λειτουργία των λεπτών κβαντικών συστημάτων, καταστρέφοντας έτσι την ίδια την κβαντική κατάσταση.
Ειδικότερα, σε τοπολογικούς μονωτές αυτάοι υψηλότερες θερμοκρασίες δημιουργούν μια κατάσταση στην οποία τα ηλεκτρόνια στην επιφάνεια του μονωτή εισχωρούν στο εσωτερικό του μονωτή. Αυτό αναγκάζει τα ηλεκτρόνια να μεταφέρουν ρεύμα, το οποίο εξασθενεί ή καταστρέφει το ειδικό κβαντικό φαινόμενο.
Υπάρχει τρόπος να αντιμετωπιστεί αυτό;
Ναι, με τη διεξαγωγή τέτοιων πειραμάτων υπό συνθήκεςεξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες - στο απόλυτο μηδέν περίπου. Σε αυτές τις απίστευτα χαμηλές θερμοκρασίες, τα ατομικά και υποατομικά σωματίδια σταματούν να δονούνται και επομένως είναι ευκολότερο να χειριστούν. Ωστόσο, η δημιουργία και η διατήρηση ενός εξαιρετικά κρύου περιβάλλοντος δεν είναι πρακτική για πολλές εφαρμογές. είναι ακριβό, δυσκίνητο και απαιτεί τεράστια ποσότητα ενέργειας.
Τι έχουν κάνει οι επιστήμονες;
Οι φυσικοί έχουν αναπτύξει έναν καινοτόμο τρόπο παράκαμψηςπρόβλημα. Δημιούργησαν έναν νέο τύπο τοπολογικού μονωτή από βρωμιούχο βισμούθιο (χημικός τύπος α-Bi 4 Br 4). Είναι μια ανόργανη κρυσταλλική ένωση που μερικές φορές χρησιμοποιείται για καθαρισμό νερού και χημικές δοκιμές. Όπως σημειώνουν οι συντάκτες της μελέτης, το υλικό δεν απαιτεί τεράστια πίεση ή εξαιρετικά υψηλό μαγνητικό πεδίο.
Στη μελέτη τους, οι επιστήμονες βασίστηκαν σεΤο κβαντικό φαινόμενο Hall είναι μια μορφή τοπολογικού φαινομένου που ανακαλύφθηκε από τον Klaus von Klitzing το 1980, για το οποίο έλαβε το βραβείο Νόμπελ πέντε χρόνια αργότερα. Έκτοτε, οι τοπολογικές φάσεις έχουν μελετηθεί εντατικά. Οι επιστήμονες έχουν ανακαλύψει πολλές νέες κατηγορίες κβαντικών υλικών με τοπολογικές ηλεκτρονικές δομές, συμπεριλαμβανομένων τοπολογικών μονωτών, τοπολογικών υπεραγωγών, τοπολογικών μαγνητών και ημιμετάλλων Weyl. Το ηλεκτρονικό τους φάσμα είναι ένα τρισδιάστατο ανάλογο του φάσματος του γραφενίου.
Το τελευταίο κομμάτι του παζλ
Για να επιτύχουν κβαντισμό σε θερμοκρασία δωματίου, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν το πλέγμα kagome.
Ο όρος πλέγμα kagome επινοήθηκε από έναν Ιάπωνα φυσικό.Εμφανίστηκε για πρώτη φορά σε ένα άρθρο του 1951 που γράφτηκε από τον Ishiro Shoji υπό τη διεύθυνση του Fushimi. Το πλέγμα καγκόμες αποτελείται από τις κορυφές και τις ακμές ενός τριεξάγωνου μωσαϊκού. Σε αντίθεση με το όνομα, αυτές οι διασταυρώσεις δεν σχηματίζουν ένα μαθηματικό πλέγμα. Με τη σειρά του, ένα τριεξάγωνο μωσαϊκό είναι ένα από τα 11 ομοιογενή μωσαϊκά στο ευκλείδειο επίπεδο που είναι κατασκευασμένα από κανονικά πολύγωνα. Το μωσαϊκό αποτελείται από κανονικά τρίγωνα και κανονικά εξάγωνα, διατεταγμένα έτσι ώστε κάθε εξάγωνο να περιβάλλεται από τρίγωνα και αντίστροφα. Το όνομα του ψηφιδωτού προέρχεται από το γεγονός ότι συνδυάζει ένα κανονικό εξάγωνο μωσαϊκό και ένα κανονικό τριγωνικό μωσαϊκό.
Τοπολογικοί μονωτές σε πλέγμα καγκόμεμπορεί να σχεδιαστεί ώστε να έχει σχετικιστικές διασταυρώσεις ζωνών και ισχυρές αλληλεπιδράσεις ηλεκτρονίου-ηλεκτρονίου. Και τα δύο είναι απαραίτητα για έναν νέο τύπο μαγνητισμού.
Καγκόμε δικτυωτό. Συγγραφέας: N.Mori
Έτσι οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι οι μαγνήτες kagome είναιένα πολλά υποσχόμενο σύστημα για την αναζήτηση τοπολογικών μαγνητικών φάσεων. Οι ίδιοι μοιάζουν με τοπολογικούς μονωτές - όλα είναι θέμα κατάλληλης ατομικής χημείας και δομικού σχεδιασμού.
Πού οδηγεί;
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η ανακάλυψη τους θα οδηγήσει στην ανάπτυξη της κβαντικής και της νανοτεχνολογίας.
Η δημιουργία ενός νέου μονωτή θα έχει ιδιαίτερο αντίκτυπογια την ανάπτυξη κβαντικών τεχνολογιών επόμενης γενιάς. Οι ερευνητές πιστεύουν επίσης ότι η σημαντική ανακάλυψη θα επιταχύνει την ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών και «πράσινων» κβαντικών υλικών.
Τι άλλο;
Σύμφωνα με τους επιστήμονες, πλέον η θεωρητική και πειραματική εστίαση της ερευνητικής ομάδας συγκεντρώνεται σε δύο κατευθύνσεις.
Πρώτον, οι επιστήμονες θέλουν να καταλάβουν τι άλλοΤοπολογικά υλικά μπορούν να λειτουργήσουν σε θερμοκρασία δωματίου. Και, το σημαντικότερο, παρέχετε σε άλλους ειδικούς εργαλεία και νέες τεχνικές μέτρησης για τον εντοπισμό υλικών που θα έχουν απόδοση σε θερμοκρασία δωματίου και σε υψηλές θερμοκρασίες.
Διαβάστε περισσότερα:
Οι αρχαιολόγοι επιβεβαίωσαν επίσημα τους θρύλους από τη Βίβλο
Αποδείχθηκε τι συμβαίνει στα κύτταρα του σώματος όταν πεθαίνει η καρδιά
Το σήμα Starlink παραβιάστηκε για να χρησιμοποιηθεί ως εναλλακτική λύση στο GPS