Forskare har använt topologiska isolatorer för att demonstrera kvanteffekter i mer än ett decennium, men...
Kvantfysik och topologi - tillsammans
Under de senaste åren, studien av topologiskamateriens tillstånd har uppmärksammats av fysiker och ingenjörer runt om i världen. Detta studieområde kombinerar kvantfysik med topologi, en gren av teoretisk matematik som studerar geometriska egenskaper som kan deformeras men inte väsentligt förändras. Materiens topologiska egenskaper är viktiga både ur grundläggande fysiks synvinkel och för tillämpningar inom kvantteknik och nästa generations nanoteknik.
Grund för kvanttopologi
Huvudkomponenten i enheten som används förforskning om kvanttopologins mysterier - topologisk isolator. Den unika enheten fungerar som en isolator på insidan, vilket innebär att elektronerna inuti inte kan röra sig fritt och därför inte leder elektricitet.
Men elektroner vid enhetens kanter är fria attrör sig och är därför ledande. Tack vare topologins speciella egenskaper störs inte elektroner som strömmar längs kanterna av några defekter eller deformationer. Den nya enheten kan inte bara förbättra framtida teknologier, utan också ge en djupare förståelse av själva materien genom att utforska dess kvantelektroniska egenskaper.
Vad är problemet?
Använder fortfarande material och enheterför verkliga applikationer i funktionella enheter var problematiskt. Allt på grund av kvanttopologins hårda förhållanden. Ja, det finns nu ett enormt intresse för topologiska material, och man talar ofta om deras stora potential för praktiska tillämpningar. Men tills någon makroskopisk kvanttopologisk effekt manifesterar sig vid rumstemperatur, kommer allt detta att förbli bara en dröm.
Problemet är att miljön eller högtemperaturer skapar vad fysiker kallar "termiskt brus". Med enkla ord är detta en ökning av temperaturen vid vilken atomer börjar vibrera kraftigt. Detta kan störa driften av subtila kvantsystem och därigenom förstöra själva kvanttillståndet.
I synnerhet i topologiska isolatorer dessahögre temperaturer skapar en situation där elektroner på isolatorns yta tränger in i det inre av isolatorn. Detta gör att elektronerna leder ström, vilket försvagar eller förstör den speciella kvanteffekten.
Finns det en väg runt detta?
Ja, genom att utföra sådana experiment under förhållandenexceptionellt låga temperaturer - vid absolut noll eller så. Vid dessa otroligt låga temperaturer slutar atomära och subatomära partiklar att vibrera och är därför lättare att manipulera. Men att skapa och underhålla en extremt kall miljö är opraktiskt för många tillämpningar; det är dyrt, krångligt och kräver enormt mycket energi.
Vad har forskarna gjort?
Fysiker har utvecklat ett innovativt sätt att kringgåproblem. De skapade en ny typ av topologisk isolator från vismutbromid (kemisk formel α-Bi 4 Br 4). Det är en oorganisk kristallin förening som ibland används för vattenrening och kemiska tester. Som författarna till studien noterar kräver materialet inget enormt tryck eller ett ultrahögt magnetfält.
I sin studie förlitade sig forskarna påKvanthalleffekten är en form av topologisk effekt som upptäcktes av Klaus von Klitzing 1980, som han fick Nobelpriset för fem år senare. Sedan dess har topologiska faser studerats intensivt. Forskare har upptäckt många nya klasser av kvantmaterial med topologiska elektroniska strukturer, inklusive topologiska isolatorer, topologiska supraledare, topologiska magneter och Weyl-halvmetaller. Deras elektroniska spektrum är en tredimensionell analog av grafenspektret.
Den sista pusselbiten
För att uppnå kvantisering vid rumstemperatur använde forskarna kagomegittret.
Termen kagomegitter myntades av en japansk fysiker.Det dök först upp i en artikel från 1951 skriven av Ishiro Shoji under ledning av Fushimi. Kagomesgittret består av hörn och kanter av en tresexkantig mosaik. I motsats till namnet bildar dessa skärningar inte ett matematiskt gitter. I sin tur är en trehexagonal mosaik en av de 11 homogena mosaikerna på det euklidiska planet gjord av regelbundna polygoner. Mosaiken består av regelbundna trianglar och regelbundna hexagoner, arrangerade så att varje hexagon är omgiven av trianglar, och vice versa. Mosaikens namn kommer av att den kombinerar en vanlig sexkantig mosaik och en vanlig triangulär mosaik.
Topologiska isolatorer på ett kagomegitterkan utformas för att ha relativistiska bandkorsningar och starka elektron-elektroninteraktioner. Båda är nödvändiga för en ny typ av magnetism.
Galler kagome. Författare: N.Mori
Så forskare insåg att kagomemagneter ärett lovande system för att söka efter topologiska magnetiska faser. De själva liknar topologiska isolatorer - allt handlar om lämplig atomkemi och strukturell design.
Vart leder det?
Forskarna tror att deras genombrott kommer att leda till utvecklingen av kvant- och nanoteknik.
Skapandet av en ny isolator kommer att ha en särskild inverkanför utvecklingen av nästa generations kvantteknik. Forskarna tror också att genombrottet kommer att påskynda utvecklingen av mer effektiva och "gröna" kvantmaterial.
Vad är nästa?
Enligt forskare är nu forskargruppens teoretiska och experimentella fokus koncentrerad i två riktningar.
Först vill forskare förstå vad andratopologiska material kan arbeta vid rumstemperatur. Och, viktigare, förse andra experter med verktyg och nya mättekniker för att identifiera material som kommer att fungera vid rumstemperaturer och höga temperaturer.
Läs mer:
Arkeologer har officiellt bekräftat legenderna från Bibeln
Det visade sig vad som händer med kroppens celler när hjärtat dör
Starlink-signal hackad för att användas som ett alternativ till GPS