Поверхностная «подпись» может отличить экзотические топологические изоляторы

Недавно обнаруженная «поверхностная подпись» материалов, известных как топологические изоляторы высшего порядка, может облегчить их идентификацию – задача, которая до сих пор оказывалась сложной. Методика, разработанная исследователями из США, Франции, Китая и Ирландии, будет включать измерение изменений поляризации падающего светового луча, когда он отражается от поверхности материала. Хотя эта технология еще не продемонстрирована экспериментально, она может оказаться полезной для разработки квантовых компьютеров и устройств спинтроники, использующих свойства этих необычных материалов.

Топологические изоляторы, обнаруженные в 2008 году, представляют собой материалы, которые очень хорошо проводят электричество по краям или поверхностям, одновременно действуя как изоляторы в своей массе. В некоторых топологических изоляторах электрический ток в краевом состоянии индуцирует поперечный спиновый ток. Эти материалы известны как квантовые спиновые системы Холла по аналогии с более известным квантовым эффектом Холла, при котором сильные магнитные поля заставляют электрический ток течь по краю полупроводника.

В краевых состояниях топологического изолятора электроны могут двигаться только в одном направлении. В отличие от обычных проводников, они не рассеиваются обратно. Это замечательное поведение позволяет топологическим изоляторам проводить электрический ток с почти нулевым рассеиванием – свойство, которое вызывает значительный интерес среди разработчиков электронных устройств, которые надеются использовать его, чтобы сделать такие устройства гораздо более энергоэффективными, чем сегодня.

За последнее десятилетие или около того появились дополнительные топологические материалы (включая полуметаллы Дирака, полуметаллы Вейля и аксионные изоляторы) с еще более странными свойствами. Совсем недавно было высказано предположение о существовании материалов, которые изолируют по объему, на поверхности и по краям, но проводят ток в шарнирах или углах. Шарнирные состояния в так называемых топологических изоляторах высшего порядка (HOTI) интересны для изучения спинтроники, поскольку направление распространения электронов в них связано со спином электронов. HOTI также перспективны для майорановских фермионов, которые могут найти применение в отказоустойчивых квантовых вычислениях – при условии, что их существование может быть окончательно доказано.

Трудно отличить от других эффектов.

В принципе, HOTI весьма своеобразны, поскольку они проводят электричество только вдоль одномерных линий на своей поверхности, то есть вдоль границы границы. Однако на практике их трудно обнаружить, поскольку другие явления (включая кристаллические дефекты в образце) могут давать аналогичные экспериментальные признаки. Ситуация усложняется тем, что свойства HOTI, по прогнозам, проявляются только в материалах с необычно высокой степенью симметрии, объясняет он. Барри Брэдлин, физик из Университет штата Иллинойс в Урбана-Шампейн, США, который был соавтором нового исследования. «Для этого требуются кристаллические структуры, которые нереально совершенны, и до сих пор лишь несколько материалов, включая элемент висмут, продемонстрировали экспериментальные признаки, соответствующие этой категории материалов», — говорит Брэдлин.

В своей работе, подробно описанной в Природа связиБрэдлин и его коллеги проанализировали электроны, распространяющиеся по объему HOTI, сосредоточив внимание на их вращении, которое может быть как вверх, так и вниз. Если бы к образцу было приложено электрическое напряжение, эти два спиновых состояния накапливались бы на противоположных сторонах. Исследователи подсчитали, что эта спиновая конфигурация создаст измеримую сигнатуру посредством явления, известного как магнитооптический эффект Керра, при котором поляризация падающего светового луча меняется, когда он отражается от поверхности образца.

Согласно расчетам команды, изменение поляризации, возникающее в результате каждого спинового состояния на поверхности материала HOTI, будет ровно вдвое меньше, чем ожидается для обычной двумерной изолирующей поверхности. «Этот отклик на поверхности со спиновым разрешением является захватывающим, — говорит Брэдлин, — поскольку он дает первое предсказание надежной экспериментальной характеристики материалов HOTI».

Свойства HOTI, выявленные командой в этой работе, могут быть очень полезны в квантовых вычислениях и устройствах спинтроники, продолжает Брэдлин, хотя исследователям сначала необходимо увидеть их в эксперименте. «Мы надеемся, что наше исследование покажет, что внутри и на поверхности топологических материалов все еще есть много загадочных и полезных особенностей, если вы знаете, как их искать», — говорит он.

Сейчас исследователи пытаются расширить свой формализм для анализа топологических кристаллических изоляторов, защищенных другими симметриями. «Мы также будем изучать сверхпроводящие системы», — говорит Брэдлин. Мир физики.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/surface-signature-could-distinguish-exotic-topological-insulators/