Naukowcy od ponad dekady wykorzystują izolatory topologiczne do demonstrowania efektów kwantowych, ale…
Fizyka kwantowa i topologia - razem
W ostatnich latach badania topologicznestany materii przyciągają uwagę fizyków i inżynierów na całym świecie. Ten kierunek studiów łączy fizykę kwantową z topologią, gałęzią matematyki teoretycznej badającą właściwości geometryczne, które można odkształcić, ale zasadniczo nie zmienić. Właściwości topologiczne materii są ważne zarówno z punktu widzenia fizyki podstawowej, jak i zastosowań w inżynierii kwantowej i nanotechnologii nowej generacji.
Podstawa topologii kwantowej
Główny element urządzenia, do którego służybadania tajemnic topologii kwantowej - izolator topologiczny. To unikalne urządzenie działa od wewnątrz jak izolator, co oznacza, że elektrony wewnątrz nie mogą się swobodnie poruszać i dlatego nie przewodzą prądu.
Ale elektrony na krawędziach urządzenia mogą to zrobić swobodnieporuszają się i dlatego przewodzą. Dzięki specjalnym właściwościom topologii elektrony płynące wzdłuż krawędzi nie są zakłócane przez żadne defekty i odkształcenia. Nowe urządzenie może nie tylko ulepszyć przyszłe technologie, ale także zapewnić głębsze zrozumienie samej materii poprzez badanie jej właściwości elektroniki kwantowej.
Jaki jest problem?
Nadal korzystam z materiałów i urządzeńdla rzeczywistych zastosowań w urządzeniach funkcjonalnych było problematyczne. Wszystko za sprawą trudnych warunków topologii kwantowej. Tak, obecnie panuje ogromne zainteresowanie materiałami topologicznymi i często mówi się o ich ogromnym potencjale zastosowań praktycznych. Ale dopóki w temperaturze pokojowej nie ujawni się makroskopowy efekt topologii kwantowej, wszystko to pozostanie tylko marzeniem.
Problem w tym, że środowisko lub wysokietemperatury tworzą to, co fizycy nazywają „szumem termicznym”. W prostych słowach jest to wzrost temperatury, przy którym atomy zaczynają silnie wibrować. Może to zakłócić działanie subtelnych układów kwantowych, niszcząc w ten sposób sam stan kwantowy.
W szczególności w izolatorach topologicznych są towyższe temperatury powodują, że elektrony znajdujące się na powierzchni izolatora przedostają się do wnętrza izolatora. Powoduje to, że elektrony przewodzą prąd, co osłabia lub niszczy specjalny efekt kwantowy.
Czy można to obejść?
Tak, przeprowadzając takie eksperymenty w odpowiednich warunkachwyjątkowo niskie temperatury - mniej więcej zero absolutne. W tak niewiarygodnie niskich temperaturach cząstki atomowe i subatomowe przestają wibrować i dlatego łatwiej nimi manipulować. Jednak tworzenie i utrzymywanie bardzo zimnego środowiska jest niepraktyczne w wielu zastosowaniach; jest droga, uciążliwa i wymaga ogromnej ilości energii.
Co zrobili naukowcy?
Fizycy opracowali innowacyjny sposób na obejście tego problemuproblem. Stworzyli nowy typ izolatora topologicznego z bromku bizmutu (wzór chemiczny α-Bi 4 Br 4). Jest to nieorganiczny związek krystaliczny, który czasami jest używany do oczyszczania wody i testów chemicznych. Jak zauważają autorzy badania, materiał nie wymaga ogromnego ciśnienia ani ultrawysokiego pola magnetycznego.
W swoich badaniach naukowcy polegaliKwantowy efekt Halla jest formą efektu topologicznego odkrytą przez Klausa von Klitzinga w 1980 roku, za co pięć lat później otrzymał Nagrodę Nobla. Od tego czasu intensywnie badano fazy topologiczne. Naukowcy odkryli wiele nowych klas materiałów kwantowych z topologicznymi strukturami elektronowymi, w tym izolatory topologiczne, nadprzewodniki topologiczne, magnesy topologiczne i półmetale Weyla. Ich widmo elektronowe jest trójwymiarowym odpowiednikiem widma grafenu.
Ostatni element układanki
Aby uzyskać kwantyzację w temperaturze pokojowej, naukowcy wykorzystali sieć kagome.
Termin krata kagome został ukuty przez japońskiego fizyka.Po raz pierwszy pojawił się w artykule z 1951 roku napisanym przez Ishiro Shoji pod kierunkiem Fushimi. Krata kagomes składa się z wierzchołków i krawędzi trójkątnej mozaiki. Wbrew nazwie te przecięcia nie tworzą siatki matematycznej. Z kolei mozaika trójsześciokątna jest jedną z 11 mozaik jednorodnych na płaszczyźnie euklidesowej utworzonych z wielokątów foremnych. Mozaika składa się z regularnych trójkątów i foremnych sześciokątów, ułożonych tak, że każdy sześciokąt jest otoczony trójkątami i odwrotnie. Nazwa mozaiki wzięła się stąd, że łączy w sobie regularną mozaikę sześciokątną i regularną mozaikę trójkątną.
Izolatory topologiczne na siatce kagomemożna zaprojektować tak, aby zawierał relatywistyczne przejścia pasm i silne oddziaływania elektron-elektron. Obydwa są niezbędne dla nowego typu magnetyzmu.
Kagome kratowe. Autor: N.Mori
Naukowcy zdali sobie sprawę, że magnesy kagome sąobiecujący system poszukiwania topologicznych faz magnetycznych. Same w sobie są podobne do izolatorów topologicznych - wszystko jest kwestią odpowiedniej chemii atomowej i projektu konstrukcyjnego.
Dokąd to prowadzi?
Naukowcy są przekonani, że ich przełom doprowadzi do rozwoju kwantowej i nanotechnologii.
Szczególny wpływ będzie miało utworzenie nowego izolatorana rozwój technologii kwantowych nowej generacji. Naukowcy uważają też, że przełom przyspieszy rozwój bardziej wydajnych i „zielonych” materiałów kwantowych.
Co dalej?
Zdaniem naukowców, obecnie teoretyczny i eksperymentalny nacisk zespołu badawczego koncentruje się w dwóch kierunkach.
Po pierwsze, naukowcy chcą zrozumieć, co jeszczemateriały topologiczne mogą pracować w temperaturze pokojowej. I, co ważne, zapewnić innym ekspertom narzędzia i nowe techniki pomiarowe umożliwiające identyfikację materiałów, które będą działać w temperaturze pokojowej i wysokich.
Czytaj więcej:
Archeolodzy oficjalnie potwierdzili legendy biblijne
Okazało się, co dzieje się z komórkami ciała, gdy serce umiera
Zhakowany sygnał Starlink, który ma być używany jako alternatywa dla GPS