'Tanda tangan' permukaan dapat membedakan isolator topologi eksotik – Dunia Fisika

Penemuan baru “tanda permukaan” material yang dikenal sebagai isolator topologi tingkat tinggi dapat membuatnya lebih mudah untuk diidentifikasi – sebuah tugas yang terbukti menantang hingga saat ini. Teknik ini, yang dikembangkan oleh para peneliti di AS, Perancis, Tiongkok dan Irlandia, akan melibatkan pengukuran perubahan polarisasi berkas cahaya yang masuk saat dipantulkan dari permukaan material. Meskipun belum dibuktikan secara eksperimental, teknik ini terbukti berguna untuk mengembangkan komputer kuantum dan perangkat spintronik yang mengeksploitasi sifat-sifat bahan yang tidak biasa ini.

Ditemukan pada tahun 2008, isolator topologi adalah bahan yang menghantarkan listrik dengan sangat baik di sepanjang tepi atau permukaannya sekaligus bertindak sebagai isolator dalam jumlah besar. Pada beberapa isolator topologi, arus listrik keadaan tepi menginduksi arus putaran transversal. Bahan-bahan ini dikenal sebagai sistem spin Hall kuantum dengan analogi dengan efek Hall kuantum yang lebih terkenal, di mana medan magnet yang kuat menginduksi arus listrik mengalir di sepanjang tepi semikonduktor.

Dalam keadaan tepi isolator topologi, elektron hanya dapat bergerak dalam satu arah. Berbeda dengan konduktor biasa, konduktor ini tidak melakukan hamburan balik. Perilaku luar biasa ini memungkinkan isolator topologi mengalirkan arus listrik dengan disipasi mendekati nol – sebuah properti yang menarik minat besar di kalangan pengembang perangkat elektronik, yang berharap dapat memanfaatkannya untuk membuat perangkat tersebut jauh lebih hemat energi dibandingkan saat ini.

Selama dekade terakhir ini, material topologi tambahan (termasuk semimetal Dirac, semimetal Weyl, dan isolator aksionik) telah muncul dengan sifat yang bahkan lebih aneh lagi. Baru-baru ini, bahan-bahan yang bersifat isolasi dalam jumlah besar, pada permukaannya dan sepanjang tepinya, namun menghantarkan listrik pada engsel atau sudut, telah diteorikan ada. Keadaan engsel dalam apa yang disebut isolator topologi tingkat tinggi (HOTI) menarik untuk dipelajari spintronik karena arah rambat elektron di dalamnya berkaitan dengan putaran elektron. HOTI juga menjanjikan bagi fermion Majorana, yang dapat diterapkan dalam komputasi kuantum yang toleran terhadap kesalahan – asalkan fermion tersebut dapat dibuktikan keberadaannya secara pasti.

Sulit dibedakan dengan efek lainnya

Pada prinsipnya, HOTI sangat unik karena hanya menghantarkan listrik sepanjang garis satu dimensi pada permukaannya – yakni sepanjang batas suatu batas. Namun dalam praktiknya, hal ini sulit dideteksi karena fenomena lain (termasuk cacat kristal dalam sampel) dapat menghasilkan tanda eksperimental serupa. Yang lebih rumit lagi, sifat HOTI hanya diprediksi terjadi pada material dengan tingkat simetri yang luar biasa tinggi, jelasnya Barry Bradlyn, seorang fisikawan di University of Illinois di Urbana-Champaign, AS, yang ikut memimpin studi baru ini. “Hal ini memerlukan struktur kristal yang sangat sempurna dan, hingga saat ini, hanya segelintir material, termasuk unsur bismut, yang telah menunjukkan ciri-ciri eksperimental yang konsisten dengan kategori material ini,” kata Bradlyn.

Dalam pekerjaan mereka, yang dirinci dalam Alam Komunikasi, Bradlyn dan rekannya menganalisis elektron yang merambat melalui sebagian besar HOTI, dengan fokus pada putaran elektron, yang bisa naik atau turun. Jika tegangan listrik diterapkan pada sampel, kedua keadaan putaran ini akan terakumulasi pada sisi yang berlawanan. Para peneliti menghitung bahwa konfigurasi putaran ini akan menghasilkan tanda terukur melalui fenomena yang dikenal sebagai efek Kerr magneto-optik, di mana polarisasi berkas cahaya yang masuk berubah ketika dipantulkan dari permukaan sampel.

Menurut perhitungan tim, perubahan polarisasi yang dihasilkan dari setiap keadaan putaran pada permukaan bahan HOTI akan menjadi setengah dari yang diharapkan untuk permukaan isolasi 2D biasa. “Respon 'spin-resolved' di permukaan ini menarik,” kata Bradlyn, “karena memberikan prediksi pertama untuk tanda eksperimental yang kuat untuk material HOTI.”

Sifat-sifat HOTI yang diidentifikasi tim dalam penelitian ini bisa sangat berguna dalam komputasi kuantum dan perangkat spintronik, lanjut Bradlyn, meskipun para peneliti perlu melihatnya dalam eksperimen terlebih dahulu. “Kami berharap penelitian kami menunjukkan bahwa bagian dalam dan permukaan material topologi masih menyimpan banyak fitur misterius dan menguntungkan jika Anda tahu cara mencarinya,” katanya.

Para peneliti sekarang mencoba memperluas formalisme mereka untuk menganalisis isolator kristal topologi yang dilindungi oleh simetri lain. “Kami juga akan mempelajari sistem superkonduktor,” kata Bradlyn Dunia Fisika.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoData.Jaringan Vertikal Generatif Ai. Berdayakan Diri Anda. Akses Di Sini.
• PlatoAiStream. Intelijen Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• PlatoESG. Karbon, teknologi bersih, energi, Lingkungan Hidup, Tenaga surya, Penanganan limbah. Akses Di Sini.
• PlatoHealth. Kecerdasan Uji Coba Biotek dan Klinis. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/surface-signature-could-distinguish-exotic-topological-insulators/