Tiedemiehet ovat käyttäneet topologisia eristeitä kvanttivaikutusten osoittamiseen yli vuosikymmenen ajan, mutta...
Kvanttifysiikka ja topologia - yhdessä
Viime vuosina tutkimus topologistaaineen tilat ovat herättäneet fyysikkojen ja insinöörien huomion ympäri maailmaa. Tämä tutkimusala yhdistää kvanttifysiikan topologiaan, teoreettisen matematiikan haaraan, joka tutkii geometrisia ominaisuuksia, joita voidaan muuttaa, mutta joita ei olennaisesti muuttaa. Aineen topologiset ominaisuudet ovat tärkeitä sekä perusfysiikan kannalta että kvanttitekniikan ja seuraavan sukupolven nanoteknologian sovelluksissa.
Kvanttitopologian perusteet
Laitteen pääkomponentti, jota käytetäänkvanttitopologian mysteerien tutkimus – topologinen eriste. Ainutlaatuinen laite toimii eristeenä sisällä, eli sisällä olevat elektronit eivät voi liikkua vapaasti eivätkä siten johda sähköä.
Mutta laitteen reunoilla olevat elektronit ovat vapaitaliikkuvat ja ovat siksi johtavia. Topologian erityisominaisuuksien ansiosta reunoja pitkin virtaavia elektroneja ei häiritse mitkään viat tai muodonmuutokset. Uusi laite voisi paitsi parantaa tulevaisuuden teknologioita, myös tarjota syvemmän ymmärryksen itse aineesta tutkimalla sen kvanttielektronisia ominaisuuksia.
Mikä on ongelma?
Käytetään edelleen materiaaleja ja laitteitatodellisissa sovelluksissa toiminnallisissa laitteissa oli ongelmallista. Kaikki johtuu kvanttitopologian ankarista olosuhteista. Kyllä, nyt on valtava kiinnostus topologisia materiaaleja kohtaan, ja usein puhutaan niiden suurista mahdollisuuksista käytännön sovelluksiin. Mutta kunnes jokin makroskooppinen kvanttitopologinen vaikutus ilmenee huoneenlämmössä, tämä kaikki jää vain haaveeksi.
Ongelmana on, että ympäristö tai korkealämpötilat luovat sen, mitä fyysikot kutsuvat "lämpömeluksi". Yksinkertaisesti sanottuna tämä on lämpötilan nousu, jossa atomit alkavat värähtää voimakkaasti. Tämä voi häiritä hienovaraisten kvanttijärjestelmien toimintaa ja siten tuhota itse kvanttitilan.
Erityisesti topologisissa eristimissä nämäkorkeammat lämpötilat luovat tilanteen, jossa eristeen pinnalla olevat elektronit tunkeutuvat eristeen sisäosaan. Tämä saa elektronit johtamaan virtaa, mikä heikentää tai tuhoaa erityistä kvanttivaikutusta.
Onko tähän olemassa keinoa kiertää?
Kyllä, suorittamalla tällaisia kokeita olosuhteissapoikkeuksellisen alhaisissa lämpötiloissa - absoluuttisessa nollassa tai niin. Näissä uskomattoman matalissa lämpötiloissa atomi- ja alaatomihiukkaset lakkaavat värähtelemästä ja ovat siksi helpompia käsitellä. Erittäin kylmän ympäristön luominen ja ylläpitäminen on kuitenkin epäkäytännöllistä monissa sovelluksissa; se on kallista, hankalaa ja vaatii valtavan määrän energiaa.
Mitä tutkijat ovat tehneet?
Fyysikot ovat kehittäneet innovatiivisen tavan kiertääongelma. He loivat uudentyyppisen topologisen eristimen vismuttibromidista (kemiallinen kaava α-Bi 4 Br 4). Se on epäorgaaninen kiteinen yhdiste, jota joskus käytetään veden puhdistukseen ja kemiallisiin testauksiin. Kuten tutkimuksen tekijät huomauttavat, materiaali ei vaadi valtavaa painetta tai erittäin suurta magneettikenttää.
Tutkijat luottivat tutkimuksessaanKvantti Hall-ilmiö on topologisen efektin muoto, jonka Klaus von Klitzing löysi vuonna 1980 ja josta hän sai Nobel-palkinnon viisi vuotta myöhemmin. Siitä lähtien topologisia vaiheita on tutkittu intensiivisesti. Tiedemiehet ovat löytäneet monia uusia kvanttimateriaaliluokkia, joissa on topologiset elektroniset rakenteet, mukaan lukien topologiset eristimet, topologiset suprajohteet, topologiset magneetit ja Weyl-puolimetallit. Niiden elektroninen spektri on grafeenin spektrin kolmiulotteinen analogi.
Palapelin viimeinen pala
Чтобы добиться квантования при комнатной температуре, ученые использовали решетку кагомэ.
Japanilainen fyysikko keksi termin kagome hila.Se ilmestyi ensimmäisen kerran vuonna 1951 julkaistussa artikkelissa, jonka Ishiro Shoji kirjoitti Fushimin johdolla. Kagomes-hila koostuu kolmikulmaisen mosaiikin kärjestä ja reunoista. Toisin kuin nimi, nämä leikkauspisteet eivät muodosta matemaattista hilaa. Kolmikulmainen mosaiikki puolestaan on yksi euklidisen tason 11 homogeenisesta mosaiikista, jotka on tehty säännöllisistä monikulmioista. Mosaiikki koostuu säännöllisistä kolmioista ja säännöllisistä kuusikulmioista, jotka on järjestetty siten, että jokainen kuusikulmio on kolmioiden ympäröimä ja päinvastoin. Mosaiikin nimi tulee siitä, että siinä yhdistyvät säännöllinen kuusikulmainen mosaiikki ja säännöllinen kolmiomosaiikki.
Topologiset eristeet kagome-hilassavoidaan suunnitella siten, että niissä on relativistisia kaistanristeyksiä ja voimakkaita elektroni-elektronivuorovaikutuksia. Molemmat ovat välttämättömiä uudentyyppiselle magnetismille.
Lattica kagome. Kirjailija: N.Mori
Joten tutkijat ymmärsivät, että kagome-magneetit ovatlupaava järjestelmä topologisten magneettisten vaiheiden etsimiseen. Ne ovat itse samanlaisia kuin topologiset eristimet - kaikki on sopivan atomikemian ja rakennesuunnittelun kysymys.
Minne se johtaa?
Tutkijat uskovat, että heidän läpimurtonsa johtaa kvantti- ja nanoteknologian kehitykseen.
Uuden eristeen luomisella on erityinen vaikutusseuraavan sukupolven kvanttiteknologian kehittämiseen. Tutkijat uskovat myös, että läpimurto nopeuttaa tehokkaampien ja "vihreämpien" kvanttimateriaalien kehitystä.
Mitä seuraavaksi?
Tutkijoiden mukaan nyt tutkimusryhmän teoreettinen ja kokeellinen painopiste on keskittynyt kahteen suuntaan.
Ensinnäkin tiedemiehet haluavat ymmärtää mitä muutatopologiset materiaalit voivat toimia huoneenlämmössä. Ja mikä tärkeintä, tarjoa muille asiantuntijoille työkaluja ja uusia mittaustekniikoita materiaalien tunnistamiseksi, jotka toimivat huoneen ja korkeissa lämpötiloissa.
Lue lisää:
Arkeologit ovat virallisesti vahvistaneet Raamatun legendat
Kävi ilmi, mitä tapahtuu kehon soluille, kun sydän kuolee
Starlink-signaali hakkeroitu käytettäväksi vaihtoehtona GPS:lle