Gli scienziati utilizzano isolanti topologici per dimostrare gli effetti quantistici da più di un decennio, ma...
Fisica quantistica e topologia - insieme
Negli ultimi anni lo studio della topologicastati della materia ha attirato l’attenzione di fisici e ingegneri di tutto il mondo. Questo campo di studi combina la fisica quantistica con la topologia, una branca della matematica teorica che studia le proprietà geometriche che possono essere deformate ma non sostanzialmente modificate. Le proprietà topologiche della materia sono importanti sia dal punto di vista della fisica fondamentale che per le applicazioni nell’ingegneria quantistica e nella nanotecnologia di prossima generazione.
Basi della topologia quantistica
Il componente principale del dispositivo utilizzato perricerca sui misteri della topologia quantistica - isolante topologico. Il dispositivo unico agisce come un isolante all'interno, il che significa che gli elettroni all'interno non possono muoversi liberamente e quindi non conducono elettricità.
Ma gli elettroni ai bordi del dispositivo sono liberi di farlosi muovono e quindi sono conduttivi. Grazie alle speciali proprietà della topologia, gli elettroni che fluiscono lungo i bordi non vengono disturbati da eventuali difetti o deformazioni. Il nuovo dispositivo potrebbe non solo migliorare le tecnologie future, ma anche fornire una comprensione più profonda della materia stessa esplorando le sue proprietà elettroniche quantistiche.
Qual è il problema?
Utilizzando ancora materiali e dispositiviper applicazioni reali in dispositivi funzionali era problematico. Tutto a causa delle dure condizioni della topologia quantistica. Sì, oggi c’è un enorme interesse per i materiali topologici e si parla spesso del loro grande potenziale per applicazioni pratiche. Ma finché non si manifesterà qualche effetto topologico quantistico macroscopico a temperatura ambiente, tutto questo rimarrà solo un sogno.
Il problema è che l'ambiente o altole temperature creano ciò che i fisici chiamano "rumore termico". In parole semplici, si tratta di un aumento della temperatura alla quale gli atomi iniziano a vibrare fortemente. Ciò può interrompere il funzionamento dei sistemi quantistici sottili, distruggendo così lo stesso stato quantistico.
In particolare, negli isolanti topologici questitemperature più elevate creano una situazione in cui gli elettroni sulla superficie dell'isolante si intromettono all'interno dell'isolante. Ciò fa sì che gli elettroni conducano corrente, il che indebolisce o distrugge lo speciale effetto quantistico.
C'è un modo per aggirare questo?
Sì, conducendo tali esperimenti in condizionitemperature eccezionalmente basse - allo zero assoluto o giù di lì. A queste temperature incredibilmente basse, le particelle atomiche e subatomiche smettono di vibrare e sono quindi più facili da manipolare. Tuttavia, creare e mantenere un ambiente ultrafreddo non è pratico per molte applicazioni; è costoso, ingombrante e richiede un'enorme quantità di energia.
Che cosa hanno fatto gli scienziati?
I fisici hanno sviluppato un modo innovativo per aggirare il problemaproblema. Hanno creato un nuovo tipo di isolante topologico dal bromuro di bismuto (formula chimica α-Bi 4 Br 4). È un composto cristallino inorganico che a volte viene utilizzato per la purificazione dell'acqua e i test chimici. Come notano gli autori dello studio, il materiale non richiede un’enorme pressione o un campo magnetico ultraelevato.
Nel loro studio, gli scienziati hanno fatto affidamentoL'effetto Hall quantistico è una forma di effetto topologico scoperto da Klaus von Klitzing nel 1980, per il quale ricevette il Premio Nobel cinque anni dopo. Da allora, le fasi topologiche sono state studiate approfonditamente. Gli scienziati hanno scoperto molte nuove classi di materiali quantistici con strutture elettroniche topologiche, inclusi isolanti topologici, superconduttori topologici, magneti topologici e semimetalli Weyl. Il loro spettro elettronico è un analogo tridimensionale dello spettro del grafene.
L'ultimo pezzo del puzzle
Per ottenere la quantizzazione a temperatura ambiente, gli scienziati hanno utilizzato il reticolo kagome.
Il termine reticolo kagome è stato coniato da un fisico giapponese.Apparve per la prima volta in un articolo del 1951 scritto da Ishiro Shoji sotto la direzione di Fushimi. Il reticolo kagomes è costituito dai vertici e dai bordi di un mosaico triesagonale. Contrariamente al nome, queste intersezioni non formano un reticolo matematico. A sua volta, un mosaico triesagonale è uno degli 11 mosaici omogenei sul piano euclideo costituiti da poligoni regolari. Il mosaico è costituito da triangoli regolari ed esagoni regolari, disposti in modo che ogni esagono sia circondato da triangoli e viceversa. Il nome del mosaico deriva dal fatto che unisce un mosaico esagonale regolare e un mosaico triangolare regolare.
Isolanti topologici su reticolo di kagomepuò essere progettato per avere incroci di banda relativistici e forti interazioni elettrone-elettrone. Entrambi sono necessari per un nuovo tipo di magnetismo.
Reticolo kagome. Autore: N.Mori
Così gli scienziati hanno capito che i magneti Kagome lo sonoun sistema promettente per la ricerca di fasi magnetiche topologiche. Loro stessi sono simili agli isolanti topologici: è tutta una questione di chimica atomica e progettazione strutturale adeguate.
Dove conduce?
I ricercatori ritengono che la loro svolta porterà allo sviluppo della quantistica e della nanotecnologia.
Un impatto particolare avrà la realizzazione di un nuovo isolanteper lo sviluppo delle tecnologie quantistiche di prossima generazione. I ricercatori ritengono inoltre che la svolta accelererà lo sviluppo di materiali quantistici più efficienti e “verdi”.
Qual è il prossimo?
Secondo gli scienziati, ora il focus teorico e sperimentale del gruppo di ricerca è concentrato in due direzioni.
Innanzitutto, gli scienziati vogliono capire cos'altroi materiali topologici possono funzionare a temperatura ambiente. E, cosa più importante, fornire ad altri esperti strumenti e nuove tecniche di misurazione per identificare i materiali che funzioneranno a temperatura ambiente e ad alte temperature.
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