Вчені використовували топологічні ізолятори для демонстрації квантових ефектів більше десяти років, але
Квантова фізика і топологія разом
В останні роки вивчення топологічнихстанів матерії привернула увагу фізиків та інженерів у всьому світі. Ця область досліджень об'єднує квантову фізику з топологією розділом теоретичної математики, яка вивчає геометричні властивості, які можна деформувати, але не змінити по суті. Топологічні властивості матерії важливі як з точки зору фундаментальної фізики, так і для застосування в квантовій інженерії та нанотехнологіях наступного покоління.
Основа квантової топології
Основний компонент пристрою, що використовується длядослідження таємниць квантової топології - топологічний ізолятор. Унікальний пристрій діє як ізолятор усередині, а, отже, електрони всередині не можуть вільно переміщатися і, отже, не проводять електрику.
Але електрони на краях пристрою можуть вільнопереміщатися, отже, є провідними. Завдяки особливим властивостям топології, поточним по краях електронам не заважають будь-які дефекти або деформації. Новий пристрій може не тільки поліпшити технології майбутнього, але і дає більш глибоке розуміння самої матерії шляхом дослідження її кванто-електронних властивостей.
В чому проблема?
Досі використовувати матеріали та пристроїдля реальних додатків у функціональних пристроях було проблематично. Все через жорсткі умови квантової топології. Так, зараз існує величезний інтерес до топологічних матеріалів, і люди часто говорять про великий потенціал для практичного застосування. Але до тих пір, поки якийсь макроскопічний квантовий топологічний ефект не виявлятиметься при кімнатній температурі, це все залишиться лише мрією.
Проблема в тому, що довкілля або високітемператури створюють те, що фізики називають «тепловим шумом». Простими словами це підвищення температури, при якому атоми починають сильно вібрувати. Це може порушити роботу тонких квантових систем, тим самим знищити сам квантовий стан.
Зокрема, у топологічних ізоляторах цібільш високі температури створюють ситуацію, коли електрони на поверхні ізолятора вторгаються всередину ізолятора. Це змушує електрони проводити струм, що послаблює чи руйнує особливий квантовий ефект.
Це можна оминути?
Так, проводячи такі експерименти в умовахвиключно низьких температур - при абсолютному нулі або близько того. При цих неймовірно низьких температурах атомні і субатомні частинки перестають вібрувати, і, отже, ними легше маніпулювати. Однак створення і підтримка ультрахолодного середовища недоцільно для багатьох додатків; це дорого, громіздко і вимагає величезної кількості енергії.
Що зробили вчені?
Фізики розробили інноваційний спосіб обійтипроблему. Вони створили топологічний ізолятор нового типу з броміду вісмуту (хімічна формула α-Bi 4 Br 4). Це неорганічна кристалічна сполука, яка іноді використовується для очищення води та проведення хімічних аналізів. Як зазначають автори дослідження, матеріал не потребує гігантського тиску чи надвисокого магнітного поля.
У своєму дослідженні вчені спиралися наквантовий ефект Холла — форму топологічного ефекту, який відкрив Клаус фон Клітцин у 1980 році, за що за п'ять років отримав Нобелівську премію. З тих пір топологічні фази інтенсивно вивчаються. Вчені виявили багато нових класів квантових матеріалів з топологічними електронними структурами, включаючи топологічні ізолятори, топологічні надпровідники, топологічні магнетики і напівметали Вейля. Їхній електронний спектр яких є тривимірним аналогом спектра графену.
Остання частина мозаїки
Щоб досягти квантування при кімнатній температурі, вчені використовували ґрати кагоме.
Термін грат кагоме ввів японський фізик.Він вперше з'явився в статті 1951 року, написаної Іширо Седзі під керівництвом Фусімі. Решітка кагомесостоит з вершин і ребер тришестикутної мозаїки. Всупереч назві, ці перетину не утворюють математичну решітку. У свою чергу тришестикутна мозаїка - це одна з однорідних мозаїк на евклідовій площині з правильних багатокутників. Мозаїка складається з правильних трикутників і правильних шестикутників, розташованих так, що кожен шестикутник оточений трикутниками, і навпаки. Назва мозаїки викликана тим фактом, що вона комбінує правильну шестикутну мозаїку і правильну трикутну мозаїку.
Топологічні ізолятори на решітці кагомеможна спроектувати таким чином, щоб вони мали релятивістські перетини зон і сильні електрон-електронні взаємодії. І те, і інше необхідно для магнетизму нового типу.
Грати кагоме. Автор: N.Mori
Так вчені зрозуміли, що магніти кагоме — цеперспективна система для пошуку топологічних магнітних фаз. Вони самі схожі на топологічні ізолятори — вся справа в відповідній атомній хімії та структурному дизайні.
До чого це призведе?
Дослідники вважають, що їхній прорив призведе до розвитку квантових та нанотехнологій.
Особливий вплив створення нового ізолятора виявитьсяна розвиток квантових технологій наступного покоління. Також дослідники вважають, що прорив прискорить розробку більш ефективних і «зелених» квантових матеріалів.
Що далі?
За словами вчених, зараз теоретична та експериментальна спрямованість групи дослідників зосереджена у двох напрямках.
По-перше, вчені хочуть зрозуміти, які іншітопологічні матеріали можуть працювати при кімнатній температурі. І, що важливо, надати іншим експертам інструменти та нові методи вимірювання для визначення матеріалів, які будуть працювати при кімнатній та високих температурах.
Читати далі:
Археологи офіційно підтвердили оповіді з Біблії
З'ясувалося, що відбувається із клітинами тіла, коли вмирає серце
Сигнал Starlink зламали, щоб використовувати його як альтернативу GPS