Zinātnieki ir izmantojuši topoloģiskos izolatorus, lai demonstrētu kvantu efektus jau vairāk nekā desmit gadus, bet...
Kvantu fizika un topoloģija – kopā
Pēdējos gados topoloģisko pētījumumatērijas stāvokļi ir piesaistījuši fiziķu un inženieru uzmanību visā pasaulē. Šī studiju joma apvieno kvantu fiziku ar topoloģiju, teorētiskās matemātikas nozari, kas pēta ģeometriskās īpašības, kuras var deformēt, bet būtiski mainīt. Vielas topoloģiskās īpašības ir svarīgas gan no fundamentālās fizikas viedokļa, gan pielietojumam kvantu inženierijā un nākamās paaudzes nanotehnoloģijās.
Kvantu topoloģijas pamati
Galvenā ierīces sastāvdaļa, ko izmantokvantu topoloģijas noslēpumu izpēte – topoloģiskais izolators. Unikālā ierīce iekšpusē darbojas kā izolators, kas nozīmē, ka iekšpusē esošie elektroni nevar brīvi pārvietoties un tāpēc nevada elektrību.
Bet elektroni ierīces malās ir brīvikustas un tāpēc ir vadošas. Pateicoties topoloģijas īpašajām īpašībām, elektroniem, kas plūst gar malām, netraucē nekādi defekti vai deformācijas. Jaunā ierīce varētu ne tikai uzlabot nākotnes tehnoloģijas, bet arī sniegt dziļāku izpratni par pašu vielu, pētot tās kvantu elektroniskās īpašības.
Kāda ir problēma?
Joprojām izmanto materiālus un ierīcesreāliem lietojumiem funkcionālās ierīcēs bija problemātiska. Tas viss ir saistīts ar skarbajiem kvantu topoloģijas apstākļiem. Jā, tagad ir milzīga interese par topoloģiskiem materiāliem, un cilvēki bieži runā par to lielo potenciālu praktiskiem pielietojumiem. Bet, kamēr istabas temperatūrā neizpaudīsies kāds makroskopisks kvantu topoloģiskais efekts, tas viss paliks tikai sapnis.
Problēma ir tā, ka vide vai augststemperatūra rada to, ko fiziķi sauc par “termisko troksni”. Vienkāršiem vārdiem sakot, tas ir temperatūras paaugstināšanās, kurā atomi sāk spēcīgi vibrēt. Tas var traucēt smalko kvantu sistēmu darbību, tādējādi iznīcinot pašu kvantu stāvokli.
Jo īpaši topoloģiskajos izolatoros šieaugstāka temperatūra rada situāciju, kurā elektroni uz izolatora virsmas iekļūst izolatora iekšpusē. Tas liek elektroniem vadīt strāvu, kas vājina vai iznīcina īpašo kvantu efektu.
Vai ir kāds veids, kā to apiet?
Jā, veicot šādus eksperimentus apstākļosārkārtīgi zemas temperatūras - pie absolūtas nulles vai tā. Šajās neticami zemajās temperatūrās atomu un subatomu daļiņas pārstāj vibrēt un tāpēc ar tām ir vieglāk manipulēt. Tomēr īpaši aukstas vides izveide un uzturēšana daudziem lietojumiem ir nepraktiska; tas ir dārgi, apgrūtinoši un prasa milzīgu enerģijas daudzumu.
Ko zinātnieki ir izdarījuši?
Fiziķi ir izstrādājuši novatorisku veidu, kā apietproblēma. Viņi izveidoja jauna veida topoloģisko izolatoru no bismuta bromīda (ķīmiskā formula α-Bi 4 Br 4). Tas ir neorganisks kristālisks savienojums, ko dažreiz izmanto ūdens attīrīšanai un ķīmiskajām pārbaudēm. Kā atzīmē pētījuma autori, materiālam nav nepieciešams milzīgs spiediens vai īpaši augsts magnētiskais lauks.
Savā pētījumā zinātnieki paļāvās uzKvantu Hola efekts ir topoloģiskā efekta veids, ko 1980. gadā atklāja Klauss fon Klicings, par ko viņš piecus gadus vēlāk saņēma Nobela prēmiju. Kopš tā laika topoloģiskās fāzes ir intensīvi pētītas. Zinātnieki ir atklājuši daudzas jaunas kvantu materiālu klases ar topoloģiskām elektroniskām struktūrām, tostarp topoloģiskos izolatorus, topoloģiskos supravadītājus, topoloģiskos magnētus un Veila pusmetālus. Viņu elektroniskais spektrs ir trīsdimensiju grafēna spektra analogs.
Pēdējais puzles gabals
Lai panāktu kvantēšanu istabas temperatūrā, zinātnieki izmantoja kagomes režģi.
Terminu kagome režģis izdomāja japāņu fiziķis.Pirmo reizi tas parādījās 1951. gada rakstā, ko Fušimi vadībā rakstīja Iširo Šodži. Kagomes režģis sastāv no trīsstūra mozaīkas virsotnēm un malām. Pretēji nosaukumam šie krustojumi neveido matemātisko režģi. Savukārt trīssešstūra mozaīka ir viena no 11 viendabīgām mozaīkām Eiklīda plaknē, kas veidota no regulāriem daudzstūriem. Mozaīka sastāv no regulāriem trijstūriem un regulāriem sešstūriem, kas sakārtoti tā, ka katru sešstūri ieskauj trīsstūri un otrādi. Mozaīkas nosaukums cēlies no tā, ka tajā apvienota regulāra sešstūra mozaīka un regulāra trīsstūrveida mozaīka.
Topoloģiskie izolatori uz kagomes režģavar būt veidoti tā, lai būtu relatīvi joslu krustojumi un spēcīga elektronu-elektronu mijiedarbība. Abi ir nepieciešami jaunam magnētisma veidam.
Režģa kagome. Autors: N.Mori
Tātad zinātnieki saprata, ka kagome magnēti irdaudzsološa sistēma topoloģisko magnētisko fāžu meklēšanai. Tie paši par sevi ir līdzīgi topoloģiskajiem izolatoriem - tas viss ir piemērotas atomu ķīmijas un strukturālās konstrukcijas jautājums.
Kur tas ved?
Pētnieki uzskata, ka viņu izrāviens novedīs pie kvantu un nanotehnoloģiju attīstības.
Īpaša ietekme būs jauna izolatora izveideinākamās paaudzes kvantu tehnoloģiju attīstībai. Pētnieki arī uzskata, ka izrāviens paātrinās efektīvāku un "zaļāku" kvantu materiālu izstrādi.
Kas tālāk?
Pēc zinātnieku domām, tagad pētnieku grupas teorētiskais un eksperimentālais fokuss ir koncentrēts divos virzienos.
Pirmkārt, zinātnieki vēlas saprast, kas vēltopoloģiskie materiāli var darboties istabas temperatūrā. Un, kas ir svarīgi, nodrošiniet citus ekspertus ar instrumentiem un jaunām mērīšanas metodēm, lai identificētu materiālus, kas darbosies telpā un augstā temperatūrā.
Lasīt vairāk:
Arheologi ir oficiāli apstiprinājuši Bībeles leģendas
Izrādījās, kas notiek ar ķermeņa šūnām, kad mirst sirds
Starlink signāls ir uzlauzts, lai to izmantotu kā alternatīvu GPS