Oamenii de știință au folosit izolatori topologici pentru a demonstra efectele cuantice de mai bine de un deceniu, dar...
Fizică cuantică și topologie - împreună
În ultimii ani, studiul topologicstările materiei a atras atenția fizicienilor și inginerilor din întreaga lume. Acest domeniu de studiu combină fizica cuantică cu topologia, o ramură a matematicii teoretice care studiază proprietățile geometrice care pot fi deformate, dar nu modificate în esență. Proprietățile topologice ale materiei sunt importante atât din punct de vedere al fizicii fundamentale, cât și pentru aplicații în ingineria cuantică și nanotehnologia de ultimă generație.
Baza topologiei cuantice
Componenta principală a dispozitivului folosit pentrucercetarea misterelor topologiei cuantice - izolator topologic. Dispozitivul unic acționează ca un izolator în interior, ceea ce înseamnă că electronii din interior nu se pot mișca liber și, prin urmare, nu conduc electricitatea.
Dar electronii de la marginile dispozitivului sunt liberise mișcă și, prin urmare, sunt conductoare. Datorită proprietăților speciale ale topologiei, electronii care curg de-a lungul marginilor nu sunt interferați de niciun defecte sau deformații. Noul dispozitiv ar putea nu numai să îmbunătățească tehnologiile viitoare, ci și să ofere o înțelegere mai profundă a materiei însăși prin explorarea proprietăților sale electronice cuantice.
Care este problema?
Folosesc în continuare materiale și dispozitivepentru aplicații reale în dispozitive funcționale a fost problematică. Toate din cauza condițiilor dure ale topologiei cuantice. Da, există acum un interes enorm pentru materialele topologice, iar oamenii vorbesc adesea despre marele lor potențial pentru aplicații practice. Dar până când un efect topologic cuantic macroscopic se manifestă la temperatura camerei, totul va rămâne doar un vis.
Problema este că mediul sau maretemperaturile creează ceea ce fizicienii numesc „zgomot termic”. Cu cuvinte simple, aceasta este o creștere a temperaturii la care atomii încep să vibreze puternic. Acest lucru poate perturba funcționarea sistemelor cuantice subtile, distrugând astfel starea cuantică în sine.
În special, în izolatoarele topologice acesteatemperaturile mai ridicate creează o situație în care electronii de pe suprafața izolatorului pătrund în interiorul izolatorului. Acest lucru face ca electronii să conducă curentul, ceea ce slăbește sau distruge efectul cuantic special.
Există o cale de a ocoli asta?
Da, prin efectuarea unor astfel de experimente în condițiitemperaturi excepțional de scăzute - la zero absolut sau cam asa ceva. La aceste temperaturi incredibil de scăzute, particulele atomice și subatomice încetează să vibreze și, prin urmare, sunt mai ușor de manipulat. Cu toate acestea, crearea și menținerea unui mediu ultra-rece nu este practic pentru multe aplicații; este scump, greoi și necesită o cantitate imensă de energie.
Ce au făcut oamenii de știință?
Fizicienii au dezvoltat o modalitate inovatoare de a ocoliproblemă. Au creat un nou tip de izolator topologic din bromură de bismut (formula chimică α-Bi 4 Br 4). Este un compus cristalin anorganic care este uneori folosit pentru purificarea apei și pentru testarea chimică. După cum notează autorii studiului, materialul nu necesită o presiune enormă sau un câmp magnetic ultra-înalt.
În studiul lor, oamenii de știință s-au bazat peEfectul Hall cuantic este o formă de efect topologic care a fost descoperită de Klaus von Klitzing în 1980, pentru care a primit Premiul Nobel cinci ani mai târziu. De atunci, fazele topologice au fost studiate intens. Oamenii de știință au descoperit multe clase noi de materiale cuantice cu structuri electronice topologice, inclusiv izolatori topologici, supraconductori topologici, magneți topologici și semimetale Weyl. Spectrul lor electronic este un analog tridimensional al spectrului grafenului.
Ultima piesă a puzzle-ului
Pentru a realiza cuantizarea la temperatura camerei, oamenii de știință au folosit rețeaua kagome.
Termenul kagome lattice a fost inventat de un fizician japonez.A apărut pentru prima dată într-un articol din 1951 scris de Ishiro Shoji sub conducerea lui Fushimi. Rețeaua kagomes este formată din vârfurile și marginile unui mozaic trihexagonal. Spre deosebire de nume, aceste intersecții nu formează o rețea matematică. La rândul său, un mozaic trihexagonal este unul dintre cele 11 mozaicuri omogene din planul euclidian format din poligoane regulate. Mozaicul este format din triunghiuri regulate și hexagoane regulate, aranjate astfel încât fiecare hexagon să fie înconjurat de triunghiuri și invers. Numele mozaicului vine de la faptul că combină un mozaic hexagonal obișnuit și un mozaic triunghiular regulat.
Izolatori topologici pe o rețea kagomepoate fi proiectat pentru a avea încrucișări relativiste de benzi și interacțiuni puternice electron-electron. Ambele sunt necesare pentru un nou tip de magnetism.
Lattice kagome. Autor: N.Mori
Așa că oamenii de știință și-au dat seama că magneții kagome suntun sistem promițător pentru căutarea fazelor magnetice topologice. Ei înșiși sunt similari cu izolatorii topologici - totul este o chestiune de chimie atomică adecvată și proiectare structurală.
Unde duce?
Cercetătorii cred că descoperirea lor va duce la dezvoltarea cuantice și a nanotehnologiei.
Crearea unui nou izolator va avea un impact deosebitpentru dezvoltarea tehnologiilor cuantice de generație următoare. Cercetătorii cred, de asemenea, că descoperirea va accelera dezvoltarea unor materiale cuantice mai eficiente și „verzi”.
Ce urmează?
Potrivit oamenilor de știință, acum focusul teoretic și experimental al echipei de cercetare este concentrat în două direcții.
În primul rând, oamenii de știință vor să înțeleagă ce altcevamaterialele topologice pot funcționa la temperatura camerei. Și, important, oferiți altor experți instrumente și noi tehnici de măsurare pentru a identifica materialele care vor funcționa la temperaturi înalte și în cameră.
Citeste mai mult:
Arheologii au confirmat oficial legendele din Biblie
S-a dovedit ce se întâmplă cu celulele corpului când inima moare
Semnalul Starlink piratat pentru a fi folosit ca alternativă la GPS