Поверхневий «підпис» міг розрізняти екзотичні топологічні ізолятори – Physics World

Нещодавно виявлений «поверхневий підпис» матеріалів, відомих як топологічні ізолятори вищого порядку, може полегшити їх ідентифікацію — завдання, яке досі виявилося складним. Техніка, розроблена дослідниками зі США, Франції, Китаю та Ірландії, передбачає вимірювання змін поляризації вхідного променя світла, коли він відбивається від поверхні матеріалу. Хоча цей метод ще не продемонстрований експериментально, він може виявитися корисним для розробки квантових комп’ютерів і пристроїв спінтроніки, які використовують властивості цих незвичайних матеріалів.

Виявлені в 2008 році топологічні ізолятори — це матеріали, які дуже добре проводять електрику вздовж своїх країв або поверхонь, одночасно діючи як ізолятори в своїй масі. У деяких топологічних ізоляторах крайовий електричний струм індукує поперечний спіновий струм. Ці матеріали відомі як квантові спінові системи Холла за аналогією з більш відомим квантовим ефектом Холла, у якому сильні магнітні поля спонукають електричний струм протікати вздовж краю напівпровідника.

У крайових станах топологічного ізолятора електрони можуть рухатися лише в одному напрямку. На відміну від звичайних провідників, у них немає зворотного розсіювання. Ця дивовижна поведінка дозволяє топологічним ізоляторам пропускати електричний струм із розсіюванням, близьким до нуля, – властивість, яка привертає значний інтерес серед розробників електронних пристроїв, які сподіваються використати її, щоб зробити такі пристрої набагато більш енергоефективними, ніж вони є сьогодні.

Протягом останнього десятиліття або близько того з’явилися додаткові топологічні матеріали (включаючи напівметали Дірака, напівметали Вейля та аксіонні ізолятори) з ще більш дивними властивостями. Нещодавно було висунуто теорію про існування матеріалів, які є ізоляційними в своїй масі, на своїх поверхнях і вздовж країв, але проводять провідність на петлях або кутах. Шарнірні стани в цих так званих топологічних ізоляторах вищого порядку (HOTI) цікаві для вивчення спінтроніки, оскільки напрямок поширення електронів у них пов’язаний зі спіном електронів. HOTI також є перспективними для ферміонів Майорани, які мають застосування у відмовостійких квантових обчисленнях – за умови, що їх існування можна остаточно довести.

Важко відрізнити від інших ефектів

В принципі, HOTI дуже відрізняються, оскільки вони проводять електрику лише вздовж одновимірних ліній на своїй поверхні, тобто вздовж межі кордону. Однак на практиці їх важко виявити, оскільки інші явища (включаючи кристалічні дефекти в зразку) можуть давати подібні експериментальні ознаки. Справу ускладнює те, що властивості HOTI передбачають лише у матеріалів із надзвичайно високим ступенем симетрії, пояснює Баррі Бредлін, фізик в Університет штату Іллінойс в Урбана-Шампейн, США, який очолив нове дослідження. «Для цього потрібні кристалічні структури, які є нереально досконалими, і досі лише кілька матеріалів, включаючи елемент вісмут, продемонстрували експериментальні сигнатури, що відповідають цій категорії матеріалів», — говорить Бредлін.

У своїй роботі, яка детально в Природа зв'язку, Бредлін і його колеги проаналізували електрони, що поширюються через основну частину HOTI, зосереджуючись на спіні електронів, який може бути як вгору, так і вниз. Якби до зразка було прикладено електричну напругу, ці два спінові стани накопичувалися б на протилежних сторонах. Дослідники підрахували, що така конфігурація обертання дасть вимірювану ознаку за допомогою явища, відомого як магнітооптичний ефект Керра, при якому поляризація вхідного світлового променя змінюється, коли він відбивається від поверхні зразка.

Відповідно до розрахунків команди, зміна поляризації в результаті кожного обертового стану на поверхні матеріалу HOTI буде рівно половиною від очікуваної для звичайної 2D-ізоляційної поверхні. «Ця «роздільна спінова» відповідь на поверхні є захоплюючою, — говорить Бредлін, — оскільки вона дає перше передбачення надійного експериментального підпису для матеріалів HOTI».

Властивості HOTI, які команда виявила в цій роботі, можуть бути дуже корисними в квантових обчисленнях і спінтронних пристроях, продовжує Бредлін, хоча дослідникам потрібно спочатку побачити їх в експерименті. «Ми сподіваємося, що наше дослідження показує, що внутрішня частина та поверхня топологічних матеріалів все ще містять багато таємничих і корисних особливостей, якщо ви знаєте, як їх шукати», — говорить він.

Зараз дослідники намагаються розширити свій формалізм для аналізу топологічних кристалічних ізоляторів, захищених іншими симетріями. «Ми також будемо вивчати надпровідні системи», — розповідає Бредлін Світ фізики.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/surface-signature-could-distinguish-exotic-topological-insulators/