Wetenschappers gebruiken al meer dan tien jaar topologische isolatoren om kwantumeffecten aan te tonen, maar...
Kwantumfysica en topologie - samen
De laatste jaren is de studie van topologischetoestanden van de materie hebben de aandacht getrokken van natuurkundigen en ingenieurs over de hele wereld. Dit vakgebied combineert kwantumfysica met topologie, een tak van de theoretische wiskunde die geometrische eigenschappen bestudeert die kunnen worden vervormd maar niet wezenlijk kunnen worden veranderd. De topologische eigenschappen van materie zijn belangrijk, zowel vanuit het oogpunt van de fundamentele fysica als voor toepassingen in de kwantumtechniek en de volgende generatie nanotechnologie.
De basis van kwantumtopologie
Het hoofdonderdeel van het apparaat dat wordt gebruiktonderzoek naar de mysteries van de kwantumtopologie - topologische isolator. Het unieke apparaatje werkt aan de binnenkant als isolator, waardoor de elektronen binnenin niet vrij kunnen bewegen en dus geen elektriciteit geleiden.
Maar de elektronen aan de randen van het apparaat zijn vrijbewegen en zijn daarom geleidend. Dankzij de bijzondere eigenschappen van de topologie worden langs de randen stromende elektronen niet gehinderd door defecten of vervormingen. Het nieuwe apparaat zou niet alleen toekomstige technologieën kunnen verbeteren, maar ook een dieper inzicht in de materie zelf kunnen bieden door de kwantumelektronische eigenschappen ervan te onderzoeken.
Wat is het probleem?
Er wordt nog steeds gebruik gemaakt van materialen en apparatenvoor echte toepassingen in functionele apparaten was problematisch. Allemaal te wijten aan de barre omstandigheden van de kwantumtopologie. Ja, er is nu een enorme belangstelling voor topologische materialen, en mensen praten vaak over hun grote potentieel voor praktische toepassingen. Maar totdat een macroscopisch kwantumtopologisch effect zich manifesteert bij kamertemperatuur, zal dit allemaal slechts een droom blijven.
Het probleem is dat het milieu of hoogtemperaturen veroorzaken wat natuurkundigen ‘thermische ruis’ noemen. In eenvoudige bewoordingen is dit een temperatuurstijging waarbij atomen sterk beginnen te trillen. Dit kan de werking van subtiele kwantumsystemen verstoren, waardoor de kwantumtoestand zelf wordt vernietigd.
In het bijzonder in topologische isolatorenhogere temperaturen creëren een situatie waarin elektronen op het oppervlak van de isolator de binnenkant van de isolator binnendringen. Hierdoor gaan de elektronen stroom geleiden, wat het speciale kwantumeffect verzwakt of vernietigt.
Is er een manier om dit te omzeilen?
Ja, door dergelijke experimenten onder omstandigheden uit te voerenuitzonderlijk lage temperaturen - op het absolute nulpunt of zo. Bij deze ongelooflijk lage temperaturen stoppen atomaire en subatomaire deeltjes met trillen en zijn ze daarom gemakkelijker te manipuleren. Het creëren en in stand houden van een ultrakoude omgeving is voor veel toepassingen echter onpraktisch; het is duur, omslachtig en vereist een enorme hoeveelheid energie.
Wat hebben de wetenschappers gedaan?
Natuurkundigen hebben een innovatieve manier ontwikkeld om dit te omzeilenprobleem. Ze creëerden een nieuw type topologische isolator uit bismutbromide (chemische formule α-Bi 4 Br 4). Het is een anorganische kristallijne verbinding die soms wordt gebruikt voor waterzuivering en chemische tests. Zoals de auteurs van het onderzoek opmerken, vereist het materiaal geen enorme druk of een ultrahoog magnetisch veld.
In hun onderzoek vertrouwden de wetenschappers eropHet quantum Hall-effect is een vorm van topologisch effect dat in 1980 werd ontdekt door Klaus von Klitzing, waarvoor hij vijf jaar later de Nobelprijs ontving. Sindsdien zijn topologische fasen intensief bestudeerd. Wetenschappers hebben veel nieuwe klassen kwantummaterialen met topologische elektronische structuren ontdekt, waaronder topologische isolatoren, topologische supergeleiders, topologische magneten en Weyl-semimetalen. Hun elektronische spectrum is een driedimensionaal analoog van het spectrum van grafeen.
Het laatste stukje van de puzzel
Om kwantisering bij kamertemperatuur te bereiken, gebruikten de wetenschappers een kagome-rooster.
De term kagome-rooster werd bedacht door een Japanse natuurkundige.Het verscheen voor het eerst in een artikel uit 1951, geschreven door Ishiro Shoji onder leiding van Fushimi. Het Kagomes-rooster bestaat uit de hoekpunten en randen van een trihexagonaal mozaïek. In tegenstelling tot de naam vormen deze kruispunten geen wiskundig rooster. Een trihexagonaal mozaïek is op zijn beurt een van de 11 homogene mozaïeken op het Euclidische vlak, gemaakt van regelmatige veelhoeken. Het mozaïek bestaat uit regelmatige driehoeken en regelmatige zeshoeken, zo gerangschikt dat elke zeshoek omgeven is door driehoeken, en omgekeerd. De naam van het mozaïek komt van het feit dat het een regelmatig zeshoekig mozaïek en een regelmatig driehoekig mozaïek combineert.
Topologische isolatoren op een kagome-roosterkan worden ontworpen om relativistische bandovergangen en sterke elektron-elektron-interacties te hebben. Beide zijn nodig voor een nieuw type magnetisme.
Kagome-raster. Auteur: N.Mori
Dus wetenschappers realiseerden zich dat Kagome-magneten dat wel zijneen veelbelovend systeem voor het zoeken naar topologische magnetische fasen. Ze lijken zelf op topologische isolatoren - het is allemaal een kwestie van geschikte atomaire chemie en structureel ontwerp.
Waar leidt het toe?
De onderzoekers geloven dat hun doorbraak zal leiden tot de ontwikkeling van kwantum- en nanotechnologie.
De creatie van een nieuwe isolator zal een bijzondere impact hebbenvoor de ontwikkeling van de volgende generatie kwantumtechnologieën. De onderzoekers geloven ook dat de doorbraak de ontwikkeling van efficiëntere en “groene” kwantummaterialen zal versnellen.
Wat is de volgende stap?
Volgens wetenschappers concentreert de theoretische en experimentele focus van de onderzoeksgroep zich nu in twee richtingen.
Ten eerste willen wetenschappers begrijpen wat nog meer istopologische materialen kunnen bij kamertemperatuur werken. En, belangrijker nog, geef andere experts tools en nieuwe meettechnieken om materialen te identificeren die presteren bij kamer- en hoge temperaturen.
Lees verder:
Archeologen hebben de legendes uit de Bijbel officieel bevestigd
Het bleek wat er met de cellen van het lichaam gebeurt als het hart sterft
Starlink-signaal gehackt om te worden gebruikt als alternatief voor GPS