Površinski 'podpis' bi lahko razlikoval eksotične topološke izolatorje – Physics World

Na novo odkrit "površinski podpis" materialov, znanih kot topološki izolatorji višjega reda, bi lahko olajšal njihovo identifikacijo - naloga, ki se je do zdaj izkazala za zahtevno. Tehnika, ki so jo razvili raziskovalci iz ZDA, Francije, Kitajske in Irske, bi vključevala merjenje sprememb polarizacije prihajajočega svetlobnega žarka, ko se odbija od površine materiala. Čeprav še ni bila eksperimentalno dokazana, bi se tehnika lahko izkazala za koristno za razvoj kvantnih računalnikov in naprav spintronike, ki izkoriščajo lastnosti teh nenavadnih materialov.

Topološki izolatorji, ki so jih odkrili leta 2008, so materiali, ki zelo dobro prevajajo elektriko vzdolž svojih robov ali površin, medtem ko v svoji masi delujejo kot izolatorji. V nekaterih topoloških izolatorjih električni tok robnega stanja inducira prečni spinski tok. Ti materiali so znani kot kvantni spinski Hallovi sistemi po analogiji z bolj znanim kvantnim Hallovim učinkom, pri katerem močna magnetna polja povzročijo, da električni tok teče vzdolž roba polprevodnika.

Znotraj robnih stanj topološkega izolatorja lahko elektroni potujejo le v eno smer. Za razliko od običajnih prevodnikov se ne sipajo nazaj. To izjemno vedenje omogoča topološkim izolatorjem, da prenašajo električni tok s skoraj ničelno disipacijo – lastnost, ki pritegne veliko zanimanja med razvijalci elektronskih naprav, ki upajo, da jo bodo izkoristili, da bodo takšne naprave veliko bolj energetsko učinkovite, kot so danes.

V zadnjem desetletju ali več so se pojavili dodatni topološki materiali (vključno z Diracovimi polmetali, Weylovimi polmetali in aksionskimi izolatorji) s še bolj čudnimi lastnostmi. V zadnjem času so domnevali, da obstajajo materiali, ki so izolacijski v svoji masi, na svojih površinah in vzdolž robov, vendar prevajajo na tečajih ali vogalih. Tečajna stanja v teh tako imenovanih topoloških izolatorjih višjega reda (HOTI) so zanimiva za preučevanje spintronike, ker je smer širjenja elektronov v njih povezana s spinom elektronov. HOTI obetajo tudi Majorana fermione, ki imajo aplikacije v kvantnem računalništvu, odpornem na napake – pod pogojem, da se lahko dokončno dokaže njihov obstoj.

Težko ga je ločiti od drugih učinkov

Načeloma so HOTI zelo značilni, ker prevajajo elektriko le vzdolž enodimenzionalnih linij na svoji površini - to je vzdolž meje meje. V praksi pa jih je težko zaznati, ker lahko drugi pojavi (vključno s kristalnimi napakami v vzorcu) povzročijo podobne eksperimentalne podpise. Da bi stvari zapletli, je predvideno, da se bodo lastnosti HOTI pojavile le v materialih z nenavadno visoko stopnjo simetrije, pojasnjuje Barry Bradlyn, fizik na University of Illinois na Urbana-Champaign, ZDA, ki je sovodil novo študijo. "To zahteva kristalne strukture, ki so nerealno popolne, in do zdaj je le peščica materialov, vključno z elementom bizmutom, pokazala eksperimentalne podpise, skladne s to kategorijo materiala," pravi Bradlyn.

V svojem delu, ki je podrobno opisano v Nature Communications, Bradlyn in sodelavci so analizirali elektrone, ki se širijo skozi večji del HOTI, in se osredotočili na vrtenje elektronov, ki je lahko navzgor ali navzdol. Če bi na vzorec uporabili električno napetost, bi se ti dve spinski stanji kopičili na nasprotnih straneh. Raziskovalci so izračunali, da bi ta konfiguracija vrtenja ustvarila merljiv podpis s pojavom, znanim kot magnetno-optični Kerrov učinek, pri katerem se polarizacija vhodnega svetlobnega žarka spremeni, ko se odbije od površine vzorca.

Po izračunih ekipe bi bila sprememba polarizacije, ki izhaja iz vsakega vrtilnega stanja na površini materiala HOTI, natanko polovica pričakovane za običajno 2D izolacijsko površino. "Ta odziv na površini, ki je "odvisen od vrtenja", je vznemirljiv," pravi Bradlyn, "saj daje prvo napoved za robusten eksperimentalni podpis za materiale HOTI."

Lastnosti HOTI-jev, ki jih je ekipa identificirala v tem delu, bi lahko bile zelo uporabne pri kvantnem računalništvu in napravah spintronic, nadaljuje Bradlyn, čeprav bi jih morali raziskovalci najprej videti v poskusu. "Upamo, da naša študija kaže, da notranjost in površine topoloških materialov še vedno gostijo veliko skrivnostnih in ugodnih lastnosti, če veste, kako jih iskati," pravi.

Raziskovalci zdaj poskušajo razširiti svoj formalizem za analizo topoloških kristalnih izolatorjev, zaščitenih z drugimi simetrijami. "Preučili bomo tudi superprevodne sisteme," pravi Bradlyn Svet fizike.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/surface-signature-could-distinguish-exotic-topological-insulators/