A tudósok több mint egy évtizede használnak topológiai szigetelőket a kvantumhatások kimutatására, de...
Kvantumfizika és topológia – együtt
Az elmúlt években a tanulmány a topológiaiAz anyagállapotok világszerte felkeltették a fizikusok és mérnökök figyelmét. Ez a tudományterület a kvantumfizikát ötvözi a topológiával, az elméleti matematikának egy olyan ágával, amely deformálható, de lényegében megváltoztathatatlan geometriai tulajdonságokat vizsgál. Az anyag topológiai tulajdonságai mind az alapvető fizika szempontjából, mind a kvantumtechnika és a következő generációs nanotechnológia alkalmazásai szempontjából fontosak.
A kvantumtopológia alapja
A használt eszköz fő összetevőjea kvantumtopológia rejtelmeinek kutatása – topológiai szigetelő. Az egyedülálló eszköz belül szigetelőként működik, vagyis a benne lévő elektronok nem tudnak szabadon mozogni, ezért nem vezetnek áramot.
De az eszköz szélein lévő elektronok szabadonmozognak, és ezért vezetőképesek. A topológia speciális tulajdonságainak köszönhetően az élek mentén áramló elektronokat semmilyen hiba vagy deformáció nem zavarja. Az új eszköz nemcsak a jövő technológiáit javíthatja, hanem magának az anyagnak a mélyebb megértését is lehetővé teszi kvantumelektronikai tulajdonságainak feltárásával.
Mi a probléma?
Továbbra is használnak anyagokat és eszközöketa funkcionális eszközökben való valós alkalmazások esetében problémás volt. Mindez a kvantumtopológia zord körülményeinek köszönhető. Igen, ma már óriási az érdeklődés a topológiai anyagok iránt, és az emberek gyakran beszélnek bennük rejlő nagy lehetőségről a gyakorlati alkalmazásokban. De amíg valamilyen makroszkopikus kvantumtopológiai hatás szobahőmérsékleten meg nem jelenik, addig mindez csak álom marad.
A probléma az, hogy a környezet vagy a magasa hőmérséklet azt hozza létre, amit a fizikusok „termikus zajnak” neveznek. Egyszerűen fogalmazva, ez a hőmérséklet növekedése, amelynél az atomok erősen vibrálni kezdenek. Ez megzavarhatja a finom kvantumrendszerek működését, ezáltal tönkreteheti magát a kvantumállapotot.
Különösen a topológiai szigetelőkben ezeka magasabb hőmérséklet olyan helyzetet teremt, amelyben a szigetelő felületén lévő elektronok behatolnak a szigetelő belsejébe. Ezáltal az elektronok áramot vezetnek, ami gyengíti vagy tönkreteszi a speciális kvantumhatást.
Это можно обойти?
Да, проводя такие эксперименты в условиях исключительно низких температур — при абсолютном нуле или около того. При этих невероятно низких температурах атомные и субатомные частицы перестают вибрировать, и, следовательно, ими легче манипулировать. Однако создание и поддержание ультрахолодной среды нецелесообразно для многих приложений; это дорого, громоздко и требует огромного количество энергии.
Mit tettek a tudósok?
Физики разработали инновационный способ обойти проблему. Они создали топологический изолятор нового типа из бромида висмута (химическая формула α-Bi 4 Br 4). Это неорганическое кристаллическое соединение, которое иногда используется для очистки воды и проведения химических анализов. Как отмечают авторы исследования, материал не требует гигантского давления или сверхвысокого магнитного поля.
В своем исследовании ученые опирались на квантовый эффект Холла — форму топологического эффекта, который открыл Клаус фон Клитцинг в 1980 году, за что через пять лет получил Нобелевскую премию. С тех пор топологические фазы интенсивно изучаются. Ученые обнаружили много новых классов квантовых материалов с топологическими электронными структурами, включая топологические изоляторы, топологические сверхпроводники, топологические магнетики и полуметаллы Вейля. Их электронный спектр которых является трехмерным аналогом спектра графена.
Последняя часть мозаики
Чтобы добиться квантования при комнатной температуре, ученые использовали решетку кагомэ.
Термин решетка кагомэ ввел японский физик. Он впервые появился в статье 1951 года, написанной Иширо Сёдзи под руководством Фусими. Решетка кагомэсостоит из вершин и ребер тришестиугольной мозаики. Вопреки названию, эти пересечения не образуют математическую решетку. В свою очередь тришестиугольная мозаика — это одна из 11 однородных мозаик на евклидовой плоскости из правильных многоугольников. Мозаика состоит из правильных треугольников и правильных шестиугольников, расположенных так, что каждый шестиугольник окружен треугольниками, и наоборот. Название мозаики вызвано тем фактом, что она комбинирует правильную шестиугольную мозаику и правильную треугольную мозаику.
Топологические изоляторы на решетке кагомэ можно спроектировать таким образом, чтобы они обладали релятивистскими пересечениями зон и сильными электрон-электронными взаимодействиями. И то, и другое необходимо для магнетизма нового типа.
Решетка кагомэ. Автор: N.Mori
Так ученые поняли, что магниты кагомэ — это многообещающая система для поиска топологических магнитных фаз. Они сами похожи на топологические изоляторы — все дело в подходящей атомной химии и структурном дизайне.
Hová vezet?
Исследователи считают, что их прорыв приведет к развитию квантовых и нанотехнологий.
Особое влияние создание нового изолятора окажется на развитие то квантовых технологий следующего поколения. Также исследователи считают, что прорыв ускорит разработку более эффективных и «зеленых» квантовых материалов.
Mi a következő?
По словам ученых, сейчас теоретическая и экспериментальная направленность группы исследователей сосредоточена в двух направлениях.
Во-первых, ученые хотят понять, какие другие топологические материалы могут работать при комнатной температуре. И, что важно, предоставить другим экспертам инструменты и новые методы измерения для определения материалов, которые будут работать при комнатной и высоких температурах.
Olvass tovább:
A régészek hivatalosan is megerősítették a Bibliából származó legendákat
Kiderült, mi történik a test sejtjeivel, ha a szív meghal
A Starlink jelet feltörték, hogy a GPS alternatívájaként használják