"امضای" سطح می تواند عایق های توپولوژیکی عجیب و غریب - دنیای فیزیک را تشخیص دهد

یک "امضای سطحی" تازه کشف شده از موادی که به عنوان عایق های توپولوژیکی مرتبه بالاتر شناخته می شوند، می تواند شناسایی آنها را آسان تر کند - وظیفه ای که تاکنون چالش برانگیز بوده است. این تکنیک که توسط محققانی در ایالات متحده، فرانسه، چین و ایرلند توسعه یافته است، شامل اندازه‌گیری تغییرات قطبش پرتو نور ورودی هنگام انعکاس آن از سطح ماده است. اگرچه این روش هنوز به صورت تجربی نشان داده نشده است، اما می‌تواند برای توسعه رایانه‌های کوانتومی و دستگاه‌های اسپینترونیک که از خواص این مواد غیرعادی بهره‌برداری می‌کنند، مفید باشد.

عایق های توپولوژیکی که در سال 2008 کشف شدند، موادی هستند که الکتریسیته را به خوبی در امتداد لبه ها یا سطوح خود هدایت می کنند در حالی که در قسمت عمده خود به عنوان عایق عمل می کنند. در برخی از عایق های توپولوژیکی، جریان الکتریکی حالت لبه، جریان چرخشی عرضی را القا می کند. این مواد به‌عنوان سیستم‌های هال اسپین کوانتومی شناخته می‌شوند که با اثر کوانتومی شناخته شده‌تر هال شناخته می‌شوند، که در آن میدان‌های مغناطیسی قوی جریان الکتریکی را در لبه یک نیمه‌رسانا القا می‌کنند.

در حالت های لبه عایق توپولوژیکی، الکترون ها فقط می توانند در یک جهت حرکت کنند. بر خلاف هادی های معمولی، آنها به عقب پراکنده نمی شوند. این رفتار قابل توجه به عایق‌های توپولوژیکی اجازه می‌دهد تا جریان الکتریکی را با اتلاف نزدیک به صفر حمل کنند – خاصیتی که علاقه قابل‌توجهی را در میان توسعه‌دهندگان دستگاه‌های الکترونیکی به خود جلب می‌کند، که امیدوارند از آن برای بهره‌برداری از این دستگاه‌ها بسیار کارآمدتر از آنچه امروز هستند استفاده کنند.

در حدود یک دهه گذشته، مواد توپولوژیکی اضافی (از جمله نیمه فلزات دیراک، نیمه فلزات ویل و عایق های آکسیونی) با خواص عجیب تر ظاهر شده اند. اخیراً، موادی که در حجم زیاد، روی سطوح و در امتداد لبه‌هایشان عایق هستند، اما در لولاها یا گوشه‌ها رسانا هستند، نظریه‌ای وجود دارند. حالت های لولا در این عایق های توپولوژیکی به اصطلاح مرتبه بالاتر (HOTIs) برای مطالعه اسپینترونیک جالب هستند زیرا جهت انتشار الکترون در آنها به اسپین الکترون ها مرتبط است. HOTI ها همچنین برای فرمیون های Majorana که کاربردهایی در محاسبات کوانتومی متحمل خطا دارند - به شرطی که بتوان وجود آنها را به طور قطعی اثبات کرد، نویدبخش است.

تشخیص آن از سایر اثرات دشوار است

در اصل، HOTI ها بسیار متمایز هستند زیرا آنها فقط الکتریسیته را در امتداد خطوط یک بعدی روی سطح خود - یعنی در امتداد مرز یک مرز، هدایت می کنند. با این حال، در عمل، تشخیص آنها دشوار است زیرا سایر پدیده ها (از جمله نقص کریستالی در یک نمونه) می توانند امضاهای آزمایشی مشابهی ایجاد کنند. برای پیچیده تر کردن مسائل، خواص HOTI تنها در موادی با درجه تقارن غیرعادی بالا پیش بینی می شود. بری برادلین، یک فیزیکدان در دانشگاه ایلینوی در اوربانا شامپاین، ایالات متحده، که در مطالعه جدید مشارکت داشتند. برادلین می‌گوید: «این نیاز به ساختارهای کریستالی دارد که به‌طور غیرواقعی کامل هستند و تاکنون، تنها تعداد انگشت شماری از مواد، از جمله عنصر بیسموت، نشانه‌های آزمایشی مطابق با این دسته از مواد را نشان داده‌اند.

در کار آنها که به تفصیل در طبیعت ارتباطاتبرادلین و همکارانش الکترون‌هایی را که در بخش عمده HOTI منتشر می‌شوند، با تمرکز بر اسپین الکترون‌ها، که می‌تواند به سمت بالا یا پایین باشد، تجزیه و تحلیل کردند. اگر یک ولتاژ الکتریکی به نمونه اعمال شود، این دو حالت اسپین در دو طرف مقابل جمع می‌شوند. محققان محاسبه کردند که این پیکربندی اسپین از طریق پدیده ای به نام اثر مغناطیسی نوری کر، که در آن قطبش یک پرتو نور ورودی با انعکاس از سطح نمونه تغییر می کند، یک امضا قابل اندازه گیری ایجاد می کند.

طبق محاسبات این تیم، تغییر قطبش حاصل از هر حالت چرخش در سطح یک ماده HOTI دقیقاً نصف آن چیزی است که برای یک سطح عایق دو بعدی معمولی انتظار می رود. برادلین می‌گوید: «این پاسخ «حل‌شده با چرخش» در سطح هیجان‌انگیز است، زیرا اولین پیش‌بینی را برای امضای آزمایشی قوی برای مواد HOTI ارائه می‌دهد.

برادلین ادامه می‌دهد که ویژگی‌های HOTI که تیم در این کار شناسایی کرد، می‌تواند در محاسبات کوانتومی و دستگاه‌های اسپینترونیک بسیار مفید باشد، اگرچه محققان باید ابتدا آنها را در یک آزمایش ببینند. او می‌گوید: «امیدواریم که مطالعه ما نشان دهد که داخل و سطوح مواد توپولوژیکی هنوز میزبان بسیاری از ویژگی‌های اسرارآمیز و سودمند هستند، اگر بدانید چگونه آنها را جستجو کنید.»

محققان اکنون در تلاشند فرمالیسم خود را برای تجزیه و تحلیل عایق های کریستالی توپولوژیکی که توسط تقارن های دیگر محافظت می شوند، گسترش دهند. برادلین می گوید: «ما همچنین به دنبال سیستم های ابررسانا خواهیم بود دنیای فیزیک.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/surface-signature-could-distinguish-exotic-topological-insulators/