Pinnan "allekirjoitus" voisi erottaa eksoottiset topologiset eristeet – Physics World

Äskettäin löydetty korkeamman asteen topologisina eristeinä tunnettujen materiaalien "pintamerkki" voisi helpottaa niiden tunnistamista – tehtävä, joka on osoittautunut tähän asti haastavaksi. Yhdysvalloissa, Ranskassa, Kiinassa ja Irlannissa työskentelevien tutkijoiden kehittämässä tekniikassa mitataan muutoksia tulevan valonsäteen polarisaatiossa sen heijastuessa materiaalin pinnalta. Vaikka tekniikkaa ei ole vielä osoitettu kokeellisesti, se voi osoittautua hyödylliseksi kehitettäessä kvanttitietokoneita ja spintroniikkalaitteita, jotka hyödyntävät näiden epätavallisten materiaalien ominaisuuksia.

Vuonna 2008 löydetyt topologiset eristeet ovat materiaaleja, jotka johtavat sähköä erittäin hyvin reunojaan tai pintojaan pitkin samalla kun ne toimivat pääosin eristeinä. Joissakin topologisissa eristimissä reunatilan sähkövirta indusoi poikittaisen spinvirran. Nämä materiaalit tunnetaan kvantti-spin Hall-järjestelminä analogisesti paremmin tunnetun kvantti Hall-ilmiön kanssa, jossa voimakkaat magneettikentät saavat sähkövirran kulkemaan puolijohteen reunaa pitkin.

Topologisen eristeen reunatiloissa elektronit voivat kulkea vain yhteen suuntaan. Toisin kuin tavalliset johtimet, ne eivät siroa takaisin. Tämän merkittävän toiminnan ansiosta topologiset eristimet voivat kuljettaa sähkövirtaa lähes nollahäviöllä – ominaisuus, joka herättää huomattavaa kiinnostusta elektronisten laitteiden kehittäjien keskuudessa, jotka toivovat hyödyntävänsä sitä tehdäkseen tällaisista laitteista paljon energiatehokkaampia kuin nykyään.

Viimeisen vuosikymmenen aikana on ilmaantunut uusia topologisia materiaaleja (mukaan lukien Dirac-puolimetallit, Weyl-puolimetallit ja aksioniset eristeet), joilla on vieläkin outoja ominaisuuksia. Viime aikoina on teoriassa teoriassa olemassa materiaaleja, jotka eristävät massaltaan, pinnoiltaan ja reunoiltaan, mutta johtavat saranoissa tai kulmissa. Näiden ns. korkeamman asteen topologisten eristeiden (HOTI) saranatilat ovat mielenkiintoisia spintroniikan tutkimuksen kannalta, koska niissä elektronien etenemissuunta liittyy elektronien spiniin. HOTI:t lupaavat myös Majorana-fermioneja, joilla on sovelluksia vikasietoisessa kvanttilaskennassa – edellyttäen, että niiden olemassaolo voidaan lopullisesti todistaa.

Vaikea erottaa muista tehosteista

Periaatteessa HOTI:t ovat erittäin erottuvia, koska ne johtavat sähköä vain yksiulotteisia linjoja pitkin pinnallaan - eli rajan rajaa pitkin. Käytännössä niitä on kuitenkin vaikea havaita, koska muut ilmiöt (mukaan lukien kiteiset viat näytteessä) voivat tuottaa samanlaisia ​​kokeellisia allekirjoituksia. Asiaa mutkistaa, että HOTI-ominaisuuksien ennustetaan esiintyvän vain materiaaleissa, joissa on epätavallisen korkea symmetria, selittää. Barry Bradlyn, fyysikko yrityksessä Illinoisin yliopisto Urbana-Champaignissa, USA, joka johti uutta tutkimusta. "Tämä vaatii kiderakenteita, jotka ovat epärealistisen täydellisiä, ja tähän asti vain kourallinen materiaaleja, mukaan lukien vismutti, ovat osoittaneet kokeellisia allekirjoituksia, jotka ovat sopusoinnussa tämän materiaaliluokan kanssa", Bradlyn sanoo.

Heidän työssään, joka on kuvattu yksityiskohtaisesti Luonto Viestintä, Bradlyn ja kollegat analysoivat elektroneja, jotka etenevät suurimman osan HOTI:sta, keskittyen elektronien spiniin, joka voi olla joko ylös- tai alaspäin. Jos näytteeseen syötettäisiin sähköjännite, nämä kaksi spin-tilaa kerääntyisivät vastakkaisille puolille. Tutkijat laskivat, että tämä spin-konfiguraatio tuottaisi mitattavissa olevan allekirjoituksen magneto-optisena Kerr-ilmiönä tunnetun ilmiön kautta, jossa tulevan valonsäteen polarisaatio muuttuu, kun se heijastuu näytteen pinnalta.

Ryhmän laskelmien mukaan kustakin spin-tilasta johtuva polarisaatiomuutos HOTI-materiaalin pinnalla olisi tasan puolet tavallisella 2D-eristyspinnalla odotetusta. "Tämä "pyörittyvä" vaste pinnalla on jännittävä", Bradlyn sanoo, "koska se antaa ensimmäisen ennusteen vankasta kokeellisesta allekirjoituksesta HOTI-materiaaleille."

Tässä työssä havaitsemien HOTI-laitteiden ominaisuudet voivat olla erittäin hyödyllisiä kvanttilaskennassa ja spintronisissa laitteissa, Bradlyn jatkaa, vaikka tutkijoiden olisi ensin nähtävä ne kokeessa. "Toivomme tutkimuksemme osoittavan, että topologisten materiaalien sisäosissa ja pinnoissa on edelleen monia salaperäisiä ja edullisia piirteitä, jos niitä osaa etsiä", hän sanoo.

Tutkijat yrittävät nyt laajentaa formalismiaan analysoimaan topologisia kiteisiä eristeitä, jotka on suojattu muilla symmetrioilla. "Tutkimme myös suprajohtavia järjestelmiä", Bradlyn kertoo Fysiikan maailma.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/surface-signature-could-distinguish-exotic-topological-insulators/