Mokslininkai daugiau nei dešimtmetį naudoja topologinius izoliatorius, kad parodytų kvantinį poveikį, tačiau...
Kvantinė fizika ir topologija – kartu
Pastaraisiais metais topologinis tyrimasmaterijos būsenos patraukė viso pasaulio fizikų ir inžinierių dėmesį. Ši studijų sritis sujungia kvantinę fiziką su topologija – teorinės matematikos šaka, tiriančia geometrines savybes, kurios gali būti deformuotos, bet iš esmės nepakeistos. Topologinės medžiagos savybės yra svarbios tiek fundamentalios fizikos požiūriu, tiek taikant kvantinę inžineriją ir naujos kartos nanotechnologijas.
Kvantinės topologijos pagrindas
Pagrindinis naudojamo prietaiso komponentaskvantinės topologijos paslapčių tyrimas – topologinis izoliatorius. Unikalus prietaisas veikia kaip izoliatorius viduje, o tai reiškia, kad viduje esantys elektronai negali laisvai judėti ir todėl nelaidžia elektros.
Tačiau elektronai įrenginio kraštuose yra laisvijudėti, todėl yra laidūs. Dėl ypatingų topologijos savybių elektronai, tekantys palei briaunas, netrukdo jokiems defektams ar deformacijoms. Naujasis prietaisas galėtų ne tik patobulinti ateities technologijas, bet ir suteikti gilesnį supratimą apie pačią materiją, tiriant jos kvantines elektronines savybes.
Kokia problema?
Vis dar naudojamos medžiagos ir prietaisairealiems pritaikymams funkciniuose įrenginiuose buvo problematiška. Viskas dėl atšiaurių kvantinės topologijos sąlygų. Taip, dabar yra didžiulis susidomėjimas topologinėmis medžiagomis, ir žmonės dažnai kalba apie didelį jų praktinio pritaikymo potencialą. Tačiau kol kambario temperatūroje nepasireikš koks nors makroskopinis kvantinis topologinis efektas, visa tai liks tik svajone.
Problema ta, kad aplinka ar aukštastemperatūra sukuria tai, ką fizikai vadina „šiluminiu triukšmu“. Paprastais žodžiais tariant, tai yra temperatūros padidėjimas, kuriam esant atomai pradeda stipriai vibruoti. Tai gali sutrikdyti subtilių kvantinių sistemų veikimą ir taip sunaikinti pačią kvantinę būseną.
Visų pirma, topologiniuose izoliatoriuose šieaukštesnė temperatūra sukuria situaciją, kai izoliatoriaus paviršiuje esantys elektronai įsiskverbia į izoliatoriaus vidų. Dėl to elektronai praleidžia srovę, o tai susilpnina arba sunaikina ypatingą kvantinį efektą.
Ar yra būdas tai apeiti?
Taip, atliekant tokius eksperimentus tokiomis sąlygomisišskirtinai žema temperatūra – prie absoliutaus nulio ar pan. Esant tokioms neįtikėtinai žemoms temperatūroms, atominės ir subatominės dalelės nustoja vibruoti, todėl jomis lengviau manipuliuoti. Tačiau sukurti ir palaikyti itin šaltą aplinką daugeliui programų yra nepraktiška; tai brangu, sudėtinga ir reikalauja daug energijos.
Ką padarė mokslininkai?
Fizikai sukūrė naujovišką būdą apeitiproblema. Jie sukūrė naujo tipo topologinį izoliatorių iš bismuto bromido (cheminė formulė α-Bi 4 Br 4). Tai neorganinis kristalinis junginys, kuris kartais naudojamas vandens valymui ir cheminiams tyrimams. Kaip pažymi tyrimo autoriai, medžiagai nereikia nei didžiulio slėgio, nei itin didelio magnetinio lauko.
Savo tyrime mokslininkai rėmėsiKvantinis Holo efektas yra topologinio efekto forma, kurią 1980 m. atrado Klausas von Klitzingas, už kurį po penkerių metų jis gavo Nobelio premiją. Nuo tada topologinės fazės buvo intensyviai tiriamos. Mokslininkai atrado daug naujų klasių kvantinių medžiagų su topologinėmis elektroninėmis struktūromis, įskaitant topologinius izoliatorius, topologinius superlaidininkus, topologinius magnetus ir Weyl pusmetalius. Jų elektroninis spektras yra trimatis grafeno spektro analogas.
Paskutinė dėlionės dalis
Norėdami kvantuoti kambario temperatūroje, mokslininkai panaudojo kagome groteles.
Terminą kagome grotelės sukūrė japonų fizikas.Pirmą kartą jis pasirodė 1951 m. straipsnyje, kurį parašė Ishiro Shoji vadovaujamas Fushimi. Kagomes gardelę sudaro trišešiakampės mozaikos viršūnės ir briaunos. Priešingai nei pavadinimas, šios sankryžos nesudaro matematinės gardelės. Savo ruožtu trišešiakampė mozaika yra viena iš 11 vienalyčių mozaikų Euklido plokštumoje, sudarytų iš taisyklingų daugiakampių. Mozaika susideda iš taisyklingų trikampių ir taisyklingų šešiakampių, išdėstytų taip, kad kiekvienas šešiakampis būtų apsuptas trikampiais ir atvirkščiai. Mozaikos pavadinimas kilęs dėl to, kad joje susijungia įprasta šešiakampė mozaika ir taisyklinga trikampė mozaika.
Topologiniai izoliatoriai ant kagome groteliųgali būti suprojektuoti taip, kad turėtų reliatyvistinius juostų kirtimus ir stiprią elektronų ir elektronų sąveiką. Abu yra būtini naujam magnetizmo tipui.
Grotelės kagome. Autorius: N.Mori
Taigi mokslininkai suprato, kad kagome magnetai yraperspektyvi topologinių magnetinių fazių paieškos sistema. Jie patys yra panašūs į topologinius izoliatorius – viskas priklauso nuo tinkamos atominės chemijos ir konstrukcijų projektavimo.
Kur tai veda?
Mokslininkai mano, kad jų proveržis paskatins kvantinių ir nanotechnologijų vystymąsi.
Naujo izoliatoriaus sukūrimas turės ypatingą poveikįnaujos kartos kvantinių technologijų kūrimui. Tyrėjai taip pat mano, kad proveržis paspartins efektyvesnių ir „žaliųjų“ kvantinių medžiagų kūrimą.
Kas toliau?
Mokslininkų teigimu, dabar teorinis ir eksperimentinis tyrėjų komandos dėmesys sutelktas dviem kryptimis.
Pirma, mokslininkai nori suprasti, kas dartopologinės medžiagos gali veikti kambario temperatūroje. Ir, svarbiausia, suteikti kitiems ekspertams įrankius ir naujus matavimo metodus, kad būtų galima nustatyti medžiagas, kurios veiks kambario ir aukštoje temperatūroje.
Skaityti daugiau:
Archeologai oficialiai patvirtino Biblijos legendas
Paaiškėjo, kas nutinka kūno ląstelėms, kai miršta širdis
„Starlink“ signalas buvo nulaužtas, kad būtų naudojamas kaip GPS alternatyva