Znanstvenici koriste topološke izolatore za demonstraciju kvantnih učinaka više od desetljeća, ali...
Kvantna fizika i topologija - zajedno
Posljednjih godina proučavanje topološkihstanja materije privukla je pozornost fizičara i inženjera diljem svijeta. Ovo područje proučavanja kombinira kvantnu fiziku s topologijom, granom teorijske matematike koja proučava geometrijska svojstva koja se mogu deformirati, ali ne i bitno promijeniti. Topološka svojstva materije važna su i sa stajališta fundamentalne fizike i za primjene u kvantnom inženjerstvu i nanotehnologiji sljedeće generacije.
Osnove kvantne topologije
Glavna komponenta uređaja koja se koristi zaistraživanje misterija kvantne topologije – topološki izolator. Jedinstveni uređaj iznutra djeluje kao izolator, što znači da se elektroni unutra ne mogu slobodno kretati i stoga ne provode struju.
Ali elektroni na rubovima uređaja mogu slobodnogibaju se i stoga su vodljivi. Zahvaljujući posebnim svojstvima topologije, elektroni koji teku duž rubova nisu ometani nikakvim defektima ili deformacijama. Novi uređaj ne samo da bi mogao poboljšati buduće tehnologije, već i omogućiti dublje razumijevanje same materije istraživanjem njezinih kvantnih elektroničkih svojstava.
U čemu je problem?
I dalje se koriste materijali i uređajiza stvarne primjene u funkcionalnim uređajima bio problematičan. Sve zbog surovih uvjeta kvantne topologije. Da, sada postoji veliki interes za topološke materijale i ljudi često govore o njihovom velikom potencijalu za praktičnu primjenu. Ali dok se neki makroskopski kvantni topološki učinak ne manifestira na sobnoj temperaturi, sve će ovo ostati samo san.
Problem je u tome što okolina ili visokatemperature stvaraju ono što fizičari nazivaju "termalni šum". Jednostavnim riječima, to je povećanje temperature pri kojem atomi počinju snažno vibrirati. To može poremetiti rad suptilnih kvantnih sustava, čime se uništava samo kvantno stanje.
Konkretno, u topološkim izolatorima oviviše temperature stvaraju situaciju u kojoj elektroni na površini izolatora ulaze u unutrašnjost izolatora. To uzrokuje da elektroni provode struju, što slabi ili uništava poseban kvantni učinak.
Postoji li način da se to zaobiđe?
Da, provođenjem takvih eksperimenata pod uvjetimaiznimno niske temperature - na apsolutnoj nuli ili tako nešto. Na ovim nevjerojatno niskim temperaturama atomske i subatomske čestice prestaju vibrirati i stoga je njima lakše manipulirati. Međutim, stvaranje i održavanje ultra-hladnog okruženja je nepraktično za mnoge primjene; skupo je, glomazno i zahtjeva ogromnu količinu energije.
Što su znanstvenici učinili?
Fizičari su razvili inovativan način zaobilaženjaproblem. Stvorili su novu vrstu topološkog izolatora od bizmut bromida (kemijska formula α-Bi 4 Br 4). To je anorganski kristalni spoj koji se ponekad koristi za pročišćavanje vode i kemijsko testiranje. Kako napominju autori studije, materijal ne zahtijeva ogroman pritisak niti ultra-jako magnetsko polje.
U svojoj studiji znanstvenici su se oslanjali naKvantni Hallov efekt oblik je topološkog učinka koji je otkrio Klaus von Klitzing 1980. godine, za što je pet godina kasnije dobio Nobelovu nagradu. Od tada se intenzivno proučavaju topološke faze. Znanstvenici su otkrili mnoge nove klase kvantnih materijala s topološkim elektronskim strukturama, uključujući topološke izolatore, topološke supravodiče, topološke magnete i Weylove polumetale. Njihov elektronski spektar je trodimenzionalni analog spektra grafena.
Posljednji dio slagalice
Kako bi postigli kvantizaciju na sobnoj temperaturi, znanstvenici su koristili kagome rešetku.
Izraz kagome rešetka skovao je japanski fizičar.Prvi put se pojavio u članku iz 1951. koji je napisao Ishiro Shoji pod vodstvom Fushimija. Kagomesova rešetka sastoji se od vrhova i rubova troheksagonalnog mozaika. Suprotno nazivu, ta sjecišta ne tvore matematičku rešetku. Zauzvrat, triheksagonalni mozaik je jedan od 11 homogenih mozaika na euklidskoj ravnini sastavljen od pravilnih poligona. Mozaik se sastoji od pravilnih trokuta i pravilnih šesterokuta, raspoređenih tako da je svaki šesterokut okružen trokutima i obrnuto. Naziv mozaika dolazi od činjenice da kombinira pravilan heksagonalni mozaik i pravilan trokutasti mozaik.
Topološki izolatori na kagome rešetkimogu biti dizajnirani da imaju relativistička križanja vrpci i jake elektron-elektron interakcije. Obje su neophodne za novu vrstu magnetizma.
Rešetkasti kagome. Autor: N.Mori
Tako su znanstvenici shvatili da su kagome magnetiobećavajući sustav za traženje topoloških magnetskih faza. Sami su slični topološkim izolatorima - sve je stvar odgovarajuće atomske kemije i strukturnog dizajna.
Kamo to vodi?
Istraživači vjeruju da će njihov napredak dovesti do razvoja kvantne i nanotehnologije.
Poseban utjecaj imat će izrada novog izolatoraza razvoj kvantnih tehnologija sljedeće generacije. Istraživači također vjeruju da će otkriće ubrzati razvoj učinkovitijih i "zelenijih" kvantnih materijala.
Što je sljedeće?
Prema znanstvenicima, sada je teorijski i eksperimentalni fokus istraživačkog tima koncentriran u dva smjera.
Prvo, znanstvenici žele razumjeti što drugotopološki materijali mogu raditi na sobnoj temperaturi. I, što je još važnije, osigurajte drugim stručnjacima alate i nove mjerne tehnike za prepoznavanje materijala koji će raditi na sobnim i visokim temperaturama.
Čitaj više:
Arheolozi su službeno potvrdili legende iz Biblije
Pokazalo se što se događa sa stanicama tijela kada srce umre
Starlink signal hakiran kako bi se koristio kao alternativa GPS-u