과학자들은 10년 넘게 양자 효과를 입증하기 위해 위상 절연체를 사용해 왔지만...
양자 물리학 및 토폴로지 - 함께
최근에는 토폴로지(topological)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다.물질 상태는 전 세계 물리학자와 엔지니어의 관심을 끌었습니다. 이 연구 분야는 변형될 수 있지만 본질적으로 변경되지는 않는 기하학적 특성을 연구하는 이론 수학의 한 분야인 위상수학과 양자 물리학을 결합합니다. 물질의 위상학적 특성은 기초 물리학의 관점과 양자공학 및 차세대 나노기술의 응용 관점 모두에서 중요합니다.
양자 토폴로지의 기초
사용되는 장치의 주요 구성 요소양자 토폴로지(토폴로지 절연체)의 신비에 대한 연구. 이 독특한 장치는 내부에서 절연체 역할을 합니다. 즉, 내부의 전자가 자유롭게 움직일 수 없으므로 전기가 전도되지 않습니다.
그러나 장치 가장자리의 전자는 자유롭게이동하므로 전도성이 있습니다. 토폴로지의 특수한 특성 덕분에 가장자리를 따라 흐르는 전자는 결함이나 변형으로 인해 방해를 받지 않습니다. 새로운 장치는 미래 기술을 향상시킬 뿐만 아니라 양자 전자 특성을 탐색하여 물질 자체에 대한 더 깊은 이해를 제공할 수 있습니다.
무엇이 문제입니까?
아직도 재료와 장치를 사용하고 있다기능적 장치의 실제 적용에는 문제가 있었습니다. 모두 양자 토폴로지의 가혹한 조건 때문입니다. 그렇습니다. 이제 토폴로지 재료에 큰 관심이 있고 사람들은 종종 실제 응용에 대한 큰 잠재력에 대해 이야기합니다. 그러나 거시적인 양자 위상학적 효과가 실온에서 나타날 때까지 이 모든 것은 단지 꿈으로만 남을 것입니다.
문제는 환경이나 높은온도는 물리학자들이 '열 잡음'이라고 부르는 것을 생성합니다. 간단히 말해서, 이는 원자가 강하게 진동하기 시작하는 온도의 증가입니다. 이는 미묘한 양자 시스템의 작동을 방해하여 양자 상태 자체를 파괴할 수 있습니다.
특히, 토폴로지 절연체에서는 이러한온도가 높을수록 절연체 표면의 전자가 절연체 내부로 침입하는 상황이 발생합니다. 이로 인해 전자가 전류를 전도하게 되어 특수 양자 효과가 약화되거나 파괴됩니다.
이 문제를 해결하는 방법이 있습니까?
예, 조건 하에서 그러한 실험을 수행함으로써예외적으로 낮은 온도 - 절대 영도 정도. 믿을 수 없을 정도로 낮은 온도에서는 원자 및 아원자 입자가 진동을 멈추고 따라서 조작하기가 더 쉽습니다. 그러나 초저온 환경을 만들고 유지하는 것은 많은 응용 분야에서 비현실적입니다. 비용이 많이 들고 번거로우며 엄청난 양의 에너지가 필요합니다.
과학자들은 무엇을 했습니까?
물리학자들은 이를 우회하는 혁신적인 방법을 개발했습니다.문제. 그들은 브롬화비스무트(화학식 α-Bi 4 Br 4)로 새로운 유형의 위상 절연체를 만들었습니다. 때로는 정수 및 화학 테스트에 사용되는 무기 결정질 화합물입니다. 연구의 저자가 언급한 바와 같이, 이 물질은 엄청난 압력이나 초고자기장이 필요하지 않습니다.
연구에서 과학자들은 다음 사항에 의존했습니다.양자 홀 효과는 클라우스 폰 클리칭(Klaus von Klitzing)이 1980년에 발견하여 5년 후 노벨상을 받은 위상학적 효과의 한 형태입니다. 그 이후로 위상학적 위상이 집중적으로 연구되었습니다. 과학자들은 위상학적 절연체, 위상학적 초전도체, 위상학적 자석 및 Weyl 반금속을 포함하여 위상학적 전자 구조를 가진 많은 새로운 종류의 양자 물질을 발견했습니다. 그들의 전자 스펙트럼은 그래핀 스펙트럼의 3차원 유사체입니다.
퍼즐의 마지막 조각
실온에서 양자화를 달성하기 위해 과학자들은 카고메 격자를 사용했습니다.
카고메 격자라는 용어는 일본의 물리학자가 만든 것입니다.1951년 이시로 쇼지(Ishiro Shoji)가 후시미(Fushimi)의 지시에 따라 쓴 기사에 처음 등장했습니다. 카고메 격자는 삼각형 모자이크의 꼭지점과 가장자리로 구성됩니다. 이름과 달리 이러한 교차점은 수학적 격자를 형성하지 않습니다. 차례로, 삼육각형 모자이크는 정다각형으로 구성된 유클리드 평면의 11개의 동질 모자이크 중 하나입니다. 모자이크는 정삼각형과 정육각형으로 구성되어 있으며, 각 육각형은 삼각형으로 둘러싸여 있으며 그 반대도 마찬가지입니다. 모자이크라는 이름은 정육각형 모자이크와 정삼각형 모자이크를 결합한 것에서 유래되었습니다.
카고메 격자의 토폴로지 절연체상대론적 밴드 크로싱과 강한 전자-전자 상호작용을 갖도록 설계될 수 있습니다. 둘 다 새로운 유형의 자기를 위해 필요합니다.
격자 카고메. 저자: N.Mori
그래서 과학자들은 카고메 자석이위상학적 자기상 검색을 위한 유망한 시스템입니다. 그 자체는 위상학적 절연체와 유사합니다. 이는 모두 적합한 원자 화학 및 구조 설계의 문제입니다.
어디로 이어지는가?
연구원들은 그들의 돌파구가 양자 및 나노 기술의 발전으로 이어질 것이라고 믿습니다.
새로운 절연체의 생성은 특별한 영향을 미칠 것입니다차세대 양자기술 개발을 위해 연구원들은 또한 이 혁신이 보다 효율적이고 "친환경" 양자 물질의 개발을 가속화할 것이라고 믿습니다.
다음은 무엇입니까?
과학자들에 따르면 이제 연구팀의 이론적이고 실험적인 초점은 두 가지 방향에 집중되어 있습니다.
첫째, 과학자들은 다른 것들도 이해하고 싶어합니다.토폴로지 재료는 실온에서 작동할 수 있습니다. 그리고 중요한 것은 다른 전문가에게 실내 및 고온에서 성능을 발휘할 재료를 식별할 수 있는 도구와 새로운 측정 기술을 제공하는 것입니다.
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