Ученые использовали топологические изоляторы для демонстрации квантовых эффектов более десяти лет, но в
פיזיקה קוונטית וטופולוגיה - ביחד
בשנים האחרונות, חקר הטופולוגימצבי החומר משכו את תשומת לבם של פיזיקאים ומהנדסים ברחבי העולם. תחום מחקר זה משלב פיזיקה קוונטית עם טופולוגיה, ענף של מתמטיקה תיאורטית החוקר תכונות גיאומטריות שניתן לעוות אך לא לשנות מהותית. התכונות הטופולוגיות של החומר חשובות הן מנקודת המבט של הפיזיקה הבסיסית והן עבור יישומים בהנדסת קוונטים וננוטכנולוגיה מהדור הבא.
בסיס של טופולוגיה קוונטית
המרכיב העיקרי של המכשיר המשמש עבורמחקר על מסתורי הטופולוגיה הקוונטית - מבודד טופולוגי. המכשיר הייחודי פועל כמבודד מבפנים, כלומר האלקטרונים בפנים אינם יכולים לנוע בחופשיות ולכן אינם מוליכים חשמל.
אבל אלקטרונים בקצוות המכשיר חופשייםלזוז, ולכן הם מוליכים. הודות למאפיינים המיוחדים של הטופולוגיה, אלקטרונים הזורמים לאורך הקצוות אינם מופרעים על ידי פגמים או עיוותים כלשהם. המכשיר החדש יכול לא רק לשפר את הטכנולוגיות העתידיות, אלא גם לספק הבנה מעמיקה יותר של החומר עצמו על ידי חקר התכונות האלקטרוניות הקוונטיות שלו.
מה הבעיה?
עדיין משתמש בחומרים ובמכשיריםעבור יישומים אמיתיים במכשירים פונקציונליים היה בעייתי. הכל בשל התנאים הקשים של טופולוגיה קוונטית. כן, יש כיום עניין עצום בחומרים טופולוגיים, ואנשים מרבים לדבר על הפוטנציאל הגדול שלהם ליישומים מעשיים. אבל עד שאפקט טופולוגי קוונטי מקרוסקופי כלשהו יתבטא בטמפרטורת החדר, כל זה יישאר רק בגדר חלום.
הבעיה היא שהסביבה או גבוהההטמפרטורות יוצרות את מה שהפיזיקאים מכנים "רעש תרמי". במילים פשוטות, זוהי עלייה בטמפרטורה שבה אטומים מתחילים לרטוט חזק. זה יכול לשבש את פעולתן של מערכות קוונטיות עדינות, ובכך להרוס את המצב הקוונטי עצמו.
В частности, в топологических изоляторах эти более высокие температуры создают ситуацию, при которой электроны на поверхности изолятора вторгаются внутрь изолятора. Это заставляет электроны проводить ток, что ослабляет или разрушает особый квантовый эффект.
האם יש דרך לעקוף את זה?
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.
מה עשו המדענים?
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.
החלק האחרון בפאזל
כדי להשיג קוונטיזציה בטמפרטורת החדר, המדענים השתמשו בסריג הקגומה.
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.
קגומה סריג. מחבר: נ.מורי
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.
לאן זה מוביל?
החוקרים מאמינים שפריצת הדרך שלהם תוביל לפיתוח קוונטים וננוטכנולוגיה.
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.
מה הלאה?
לדברי מדענים, כעת המוקד התיאורטי והניסיוני של צוות המחקר מרוכז בשני כיוונים.
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.
קרא עוד:
ארכיאולוגים אישרו רשמית את האגדות מהתנ"ך
התברר מה קורה לתאי הגוף כשהלב מת
אות Starlink נפרץ כדי לשמש כחלופה ל-GPS