Vedci používajú topologické izolátory na demonštráciu kvantových efektov už viac ako desať rokov, ale...
Kvantová fyzika a topológia – spolu
V posledných rokoch sa štúdium topologickýchstavov hmoty pritiahol pozornosť fyzikov a inžinierov na celom svete. Tento študijný odbor kombinuje kvantovú fyziku s topológiou, odborom teoretickej matematiky, ktorý študuje geometrické vlastnosti, ktoré možno deformovať, ale v podstate nie zmeniť. Topologické vlastnosti hmoty sú dôležité tak z hľadiska základnej fyziky, ako aj pre aplikácie v kvantovom inžinierstve a nanotechnológiách novej generácie.
Základy kvantovej topológie
Hlavná súčasť zariadenia používaného navýskum záhad kvantovej topológie - topologický izolátor. Jedinečné zariadenie pôsobí vo vnútri ako izolátor, čo znamená, že elektróny vo vnútri sa nemôžu voľne pohybovať, a preto nevedú elektrinu.
Ale elektróny na okrajoch zariadenia sú voľnépohybovať, a preto sú vodivé. Vďaka špeciálnym vlastnostiam topológie nie sú elektróny prúdiace po okrajoch rušené žiadnymi defektmi alebo deformáciami. Nové zariadenie by mohlo nielen zlepšiť budúce technológie, ale tiež poskytnúť hlbšie pochopenie samotnej hmoty prostredníctvom skúmania jej kvantových elektronických vlastností.
Aký je problém?
Stále s použitím materiálov a zariadenípre reálne aplikácie vo funkčných zariadeniach bola problematická. Všetko kvôli drsným podmienkam kvantovej topológie. Áno, o topologické materiály je teraz obrovský záujem a ľudia často hovoria o ich veľkom potenciáli pre praktické aplikácie. Kým sa však pri izbovej teplote neprejaví nejaký makroskopický kvantový topologický efekt, toto všetko zostane len snom.
Problém je v tom, že životné prostredie alebo vysokáteploty vytvárajú to, čo fyzici nazývajú „tepelný šum“. Jednoducho povedané, ide o zvýšenie teploty, pri ktorej atómy začnú silne vibrovať. To môže narušiť fungovanie jemných kvantových systémov, čím sa zničí samotný kvantový stav.
Najmä v topologických izolátoroch tietovyššie teploty vytvárajú situáciu, v ktorej elektróny na povrchu izolátora prenikajú do vnútra izolátora. To spôsobí, že elektróny vedú prúd, ktorý oslabuje alebo ničí špeciálny kvantový efekt.
Dá sa to nejako obísť?
Áno, vykonávaním takýchto experimentov za podmienokvýnimočne nízke teploty - pri absolútnej nule alebo tak. Pri týchto neuveriteľne nízkych teplotách prestávajú atómové a subatomárne častice vibrovať, a preto sa s nimi ľahšie manipuluje. Vytváranie a udržiavanie ultrachladného prostredia je však pre mnohé aplikácie nepraktické; je to drahé, ťažkopádne a vyžaduje si obrovské množstvo energie.
Čo urobili vedci?
Fyzici vyvinuli inovatívny spôsob, ako to obísťproblém. Vytvorili nový typ topologického izolátora z bromidu bizmutitého (chemický vzorec α-Bi 4 Br 4). Je to anorganická kryštalická zlúčenina, ktorá sa niekedy používa na čistenie vody a chemické testovanie. Ako poznamenávajú autori štúdie, materiál nevyžaduje enormný tlak ani ultravysoké magnetické pole.
Vo svojej štúdii sa vedci opierali oKvantový Hallov efekt je forma topologického efektu, ktorý objavil Klaus von Klitzing v roku 1980, za čo o päť rokov neskôr dostal Nobelovu cenu. Odvtedy sa topologické fázy intenzívne študujú. Vedci objavili mnoho nových tried kvantových materiálov s topologickými elektronickými štruktúrami vrátane topologických izolátorov, topologických supravodičov, topologických magnetov a Weylových polokovov. Ich elektronické spektrum je trojrozmerným analógom spektra grafénu.
Posledný kúsok skladačky
Na dosiahnutie kvantizácie pri izbovej teplote vedci použili mriežku kagome.
Termín mriežka kagome zaviedol japonský fyzik.Prvýkrát sa objavil v článku z roku 1951, ktorý napísal Ishiro Shoji pod vedením Fushimiho. Kagomesova mriežka pozostáva z vrcholov a hrán trihexagonálnej mozaiky. Na rozdiel od názvu tieto priesečníky netvoria matematickú mriežku. Trojuholníková mozaika je zase jednou z 11 homogénnych mozaík na euklidovskej rovine, ktoré tvoria pravidelné mnohouholníky. Mozaika sa skladá z pravidelných trojuholníkov a pravidelných šesťuholníkov, ktoré sú usporiadané tak, že každý šesťuholník je obklopený trojuholníkmi a naopak. Názov mozaiky pochádza zo skutočnosti, že kombinuje pravidelnú šesťhrannú mozaiku a pravidelnú trojuholníkovú mozaiku.
Topologické izolátory na mriežke kagomemôžu byť navrhnuté tak, aby mali relativistické prechody pásiem a silné interakcie elektrón-elektrón. Oba sú potrebné pre nový typ magnetizmu.
Mriežkové kagome. Autor: N.Mori
Vedci si teda uvedomili, že kagome magnety súperspektívny systém na hľadanie topologických magnetických fáz. Samotné sú podobné topologickým izolantom – všetko je otázkou vhodnej atómovej chémie a konštrukčného návrhu.
kam to vedie?
Vedci veria, že ich prelom povedie k rozvoju kvantovej a nanotechnológie.
Osobitný vplyv bude mať vytvorenie nového izolátorapre vývoj kvantových technológií ďalšej generácie. Výskumníci tiež veria, že tento prelom urýchli vývoj efektívnejších a „zelených“ kvantových materiálov.
Čo bude ďalej?
Podľa vedcov sa teraz teoretické a experimentálne zameranie výskumného tímu sústreďuje do dvoch smerov.
Po prvé, vedci chcú pochopiť, čo inétopologické materiály môžu pracovať pri izbovej teplote. A čo je dôležité, poskytnúť iným odborníkom nástroje a nové meracie techniky na identifikáciu materiálov, ktoré budú fungovať pri izbových a vysokých teplotách.
Čítaj viac:
Archeológovia oficiálne potvrdili legendy z Biblie
Ukázalo sa, čo sa stane s bunkami tela, keď srdce odumrie
Signál Starlink bol hacknutý, aby sa dal použiť ako alternatíva k GPS