Forskere har brukt topologiske isolatorer for å demonstrere kvanteeffekter i mer enn et tiår, men...
Kvantefysikk og topologi – sammen
I de siste årene, studiet av topologiskmaterietilstander har tiltrukket seg oppmerksomheten til fysikere og ingeniører over hele verden. Dette studieretningen kombinerer kvantefysikk med topologi, en gren av teoretisk matematikk som studerer geometriske egenskaper som kan deformeres, men ikke vesentlig endres. De topologiske egenskapene til materie er viktige både fra synspunkt av grunnleggende fysikk og for anvendelser innen kvanteteknikk og neste generasjons nanoteknologi.
Grunnlag for kvantetopologi
Hovedkomponenten i enheten som brukes tilforskning på kvantetopologiens mysterier - topologisk isolator. Den unike enheten fungerer som en isolator på innsiden, noe som betyr at elektronene inni ikke kan bevege seg fritt og derfor ikke leder elektrisitet.
Men elektroner på kantene av enheten er gratis åbeveger seg, og er derfor ledende. Takket være de spesielle egenskapene til topologien, blir elektroner som strømmer langs kantene ikke forstyrret av noen defekter eller deformasjoner. Den nye enheten kan ikke bare forbedre fremtidige teknologier, men også gi en dypere forståelse av selve materien ved å utforske dens kvanteelektroniske egenskaper.
Hva er problemet?
Bruker fortsatt materialer og enheterfor ekte applikasjoner i funksjonelle enheter var problematisk. Alt på grunn av de tøffe forholdene til kvantetopologi. Ja, det er nå en enorm interesse for topologiske materialer, og folk snakker ofte om deres store potensial for praktiske anvendelser. Men inntil en eller annen makroskopisk kvantetopologisk effekt manifesterer seg ved romtemperatur, vil alt dette forbli bare en drøm.
Problemet er at miljøet eller høytemperaturer skaper det fysikere kaller «termisk støy». Med enkle ord er dette en økning i temperatur der atomer begynner å vibrere sterkt. Dette kan forstyrre driften av subtile kvantesystemer, og dermed ødelegge selve kvantetilstanden.
Spesielt i topologiske isolatorer dissehøyere temperaturer skaper en situasjon der elektroner på overflaten av isolatoren trenger inn i det indre av isolatoren. Dette får elektronene til å lede strøm, noe som svekker eller ødelegger den spesielle kvanteeffekten.
Finnes det en vei rundt dette?
Ja, ved å gjennomføre slike eksperimenter under forholdeksepsjonelt lave temperaturer - ved absolutt null eller så. Ved disse utrolig lave temperaturene slutter atom- og subatomære partikler å vibrere og er derfor lettere å manipulere. Å skape og vedlikeholde et ultrakaldt miljø er imidlertid upraktisk for mange bruksområder; det er dyrt, tungvint og krever enormt mye energi.
Hva har forskerne gjort?
Fysikere har utviklet en innovativ måte å omgåproblem. De laget en ny type topologisk isolator fra vismutbromid (kjemisk formel α-Bi 4 Br 4). Det er en uorganisk krystallinsk forbindelse som noen ganger brukes til vannrensing og kjemisk testing. Som forfatterne av studien bemerker, krever ikke materialet enormt trykk eller et ultrahøyt magnetfelt.
I sin studie stolte forskerne påKvante Hall-effekten er en form for topologisk effekt som ble oppdaget av Klaus von Klitzing i 1980, som han fikk Nobelprisen for fem år senere. Siden den gang har topologiske faser blitt studert intensivt. Forskere har oppdaget mange nye klasser av kvantematerialer med topologiske elektroniske strukturer, inkludert topologiske isolatorer, topologiske superledere, topologiske magneter og Weyl-halvmetaller. Deres elektroniske spektrum er en tredimensjonal analog av grafenspekteret.
Den siste brikken i puslespillet
For å oppnå kvantisering ved romtemperatur brukte forskerne et kagomegitter.
Begrepet kagome-gitter ble laget av en japansk fysiker.Det dukket først opp i en artikkel fra 1951 skrevet av Ishiro Shoji under ledelse av Fushimi. Kagomes-gitteret består av toppunktene og kantene til en treheksagonal mosaikk. I motsetning til navnet, danner ikke disse skjæringspunktene et matematisk gitter. På sin side er en treheksagonal mosaikk en av de 11 homogene mosaikkene på det euklidiske planet laget av vanlige polygoner. Mosaikken består av vanlige trekanter og regulære sekskanter, arrangert slik at hver sekskant er omgitt av trekanter, og omvendt. Mosaikkens navn kommer av at den kombinerer en vanlig sekskantet mosaikk og en vanlig trekantet mosaikk.
Topologiske isolatorer på et kagomegitterkan utformes for å ha relativistiske båndkryssninger og sterke elektron-elektron-interaksjoner. Begge er nødvendige for en ny type magnetisme.
Kagome rutenett. Forfatter: N.Mori
Så forskerne innså at kagome-magneter er detet lovende system for å søke etter topologiske magnetiske faser. De ligner selv på topologiske isolatorer - det hele handler om passende atomkjemi og strukturell design.
Hvor fører det hen?
Forskerne tror at deres gjennombrudd vil føre til utvikling av kvante- og nanoteknologi.
Opprettelsen av en ny isolator vil ha en spesiell innvirkningfor utvikling av neste generasjons kvanteteknologi. Forskerne tror også at gjennombruddet vil akselerere utviklingen av mer effektive og "grønne" kvantematerialer.
Hva er neste?
Ifølge forskere er det teoretiske og eksperimentelle fokuset til forskningsgruppen nå konsentrert i to retninger.
Først vil forskere forstå hva annettopologiske materialer kan fungere ved romtemperatur. Og, viktigere, gi andre eksperter verktøy og nye måleteknikker for å identifisere materialer som vil fungere ved rom og høye temperaturer.
Les mer:
Arkeologer har offisielt bekreftet legendene fra Bibelen
Det viste seg hva som skjer med cellene i kroppen når hjertet dør
Starlink-signal hacket for å brukes som et alternativ til GPS