A felszíni „aláírás” egzotikus topológiai szigetelőket különböztethet meg – Physics World

A magasabb rendű topológiai szigetelőkként ismert anyagok újonnan felfedezett „felületi aláírása” megkönnyítheti azok azonosítását – ez a feladat eddig kihívást jelentő feladatnak bizonyult. Az Egyesült Államok, Franciaország, Kína és Írország kutatói által kifejlesztett technika magában foglalja a bejövő fénysugár polarizációjának változását, amikor az visszaverődik az anyag felületéről. Bár kísérletileg még nem demonstrálták, a technika hasznosnak bizonyulhat olyan kvantumszámítógépek és spintronikai eszközök fejlesztésében, amelyek kiaknázzák e szokatlan anyagok tulajdonságait.

A 2008-ban felfedezett topologikus szigetelők olyan anyagok, amelyek nagyon jól vezetik az elektromosságot a szélükön vagy felületükön, miközben nagy részükben szigetelőként működnek. Egyes topológiai szigetelőkben az élállapotú elektromos áram keresztirányú spin áramot indukál. Ezeket az anyagokat kvantum-spin Hall-rendszereknek nevezik a jobban ismert kvantum Hall-effektus analógiájára, amelyben az erős mágneses mezők elektromos áramot indukálnak a félvezető széle mentén.

A topológiai szigetelő élállapotain belül az elektronok csak egy irányba haladhatnak. A normál vezetőkkel ellentétben ezek nem szórnak vissza. Ez a figyelemre méltó viselkedés lehetővé teszi a topológiai szigetelők számára, hogy közel nulla disszipációval szállítsák az elektromos áramot – ez a tulajdonság jelentős érdeklődést vált ki az elektronikai eszközök fejlesztői körében, akik azt remélik, hogy kihasználhatják az ilyen eszközök energiahatékonyabbá tételére, mint manapság.

Az elmúlt évtizedben további topológiai anyagok (köztük Dirac-félfémek, Weyl-félfémek és axionos szigetelők) jelentek meg, amelyek még furcsább tulajdonságokkal rendelkeznek. A közelmúltban elméletileg léteznek olyan anyagok, amelyek tömegükben, felületükön és éleik mentén szigetelőek, de a csuklópántoknál vagy sarkoknál vezetnek. Ezekben az úgynevezett magasabb rendű topológiai szigetelőkben (HOTI) található csuklóállapotok azért érdekesek a spintronika tanulmányozása szempontjából, mert az elektronterjedés iránya bennük összefügg az elektronok spinével. A HOTI-k ígéretesek a Majorana fermionok számára is, amelyek a hibatűrő kvantumszámítástechnikában is alkalmazhatók – feltéve, hogy véglegesen bizonyítható a létezésük.

Nehéz megkülönböztetni a többi hatástól

Elvileg a HOTI-k nagyon jellegzetesek, mert csak egydimenziós vonalak mentén vezetik az elektromosságot a felületükön – vagyis egy határvonal mentén. A gyakorlatban azonban nehéz kimutatni őket, mert más jelenségek (beleértve a minta kristályhibáit is) hasonló kísérleti jeleket eredményezhetnek. Bonyolítja a dolgokat, hogy a HOTI tulajdonságok csak a szokatlanul nagy szimmetriájú anyagokban fordulnak elő. Barry Bradlyn, a fizikus a Illinois-i Egyetem a Urbana-Champaign-on, USA, aki az új tanulmány társvezetője volt. „Ehhez olyan kristályszerkezetekre van szükség, amelyek irreálisan tökéletesek, és eddig csak néhány anyag, köztük a bizmut elem, mutatott kísérleti jeleket, amelyek összhangban vannak ezzel az anyagkategóriával” – mondja Bradlyn.

Munkájukban, amelyet részletesen a Nature CommunicationsBradlyn és munkatársai elemezték a HOTI nagy részén át terjedő elektronokat, az elektronok spinére összpontosítva, amely lehet felfelé vagy lefelé. Ha elektromos feszültséget kapcsolnánk a mintára, ez a két spinállapot az ellenkező oldalon halmozódna fel. A kutatók számításai szerint ez a spin-konfiguráció mérhető szignatúrát hoz létre a magneto-optikai Kerr-effektusként ismert jelenség révén, amelyben a bejövő fénysugár polarizációja megváltozik, amikor az a minta felületéről visszaverődik.

A csapat számításai szerint egy HOTI anyag felületén az egyes spinállapotokból származó polarizációváltozás pontosan fele lenne annak, mint egy átlagos 2D szigetelőfelületnél várható. „Ez a „pörgés-feloldott” válasz a felszínen izgalmas – mondja Bradlyn –, „mivel ez adja az első jóslatot a HOTI anyagok robusztus kísérleti szignatúrájára.”

A HOTI-k tulajdonságai, amelyeket a csapat ebben a munkában azonosított, nagyon hasznosak lehetnek a kvantumszámítógépekben és a spintronikus eszközökben, folytatja Bradlyn, bár a kutatóknak először egy kísérletben kellene látniuk őket. „Reméljük, hogy tanulmányunk azt mutatja, hogy a topológiai anyagok belseje és felülete még mindig sok rejtélyes és előnyös tulajdonságot tartalmaz, ha tudja, hogyan kell keresni őket” – mondja.

A kutatók most megpróbálják kiterjeszteni formalizmusukat más szimmetriákkal védett topológiai kristályos szigetelők elemzésére. „Megvizsgáljuk a szupravezető rendszereket is” – mondja Bradlyn Fizika Világa.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• PlatoHealth. Biotechnológiai és klinikai vizsgálatok intelligencia. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/surface-signature-could-distinguish-exotic-topological-insulators/