 Топологические изоляторы стали немного меньше «неуловимыми». Они представляют собой «странные» материалы – изнутри как бы изоляторы, а на поверхности проводники. Они также имеют свойства, которые делают их превосходными кандидатами для развития спинтроники и в общих квантовых вычислениях. Тем не менее, они также являются труднодостижимыми, так как их свойства чрезвычайно трудно обнаружить. Теперь исследование SISSA, опубликованное в журнале Physical Review Letters, предлагает новое семейство материалов, чье топологическое состояние можно непосредственно наблюдать экспериментально, тем самым упрощая вещи для исследователей. Исследование проводилось учеными из университетов Инсбрука в Австрии и Вюрцбурга в Германии. Эти необыкновенные материалы были обнаружены в Вюрцбурге в 2007 году.
«То, что нас интересует в топологических изоляторах – не то, что они по существу являются изоляторами, но то, что они имеют состояние проводников на своей поверхности», объясняет исследователь Массимо Капоне. «Эта функция делает их уникальными, так как ни один из других изоляционных или проводящих материалов не демонстрирует эту дихотомию. К сожалению, те характеристики, которые описывают эти материалы столь неразличимы, что их действительно трудно определить и изучить». Последнее статья Капоне и его сотрудников объясняет, как такие характеристики можно найти в материалах с более очевидными свойствами, тем самым упрощая исследования в этой области и открывая новые возможности.
Математическое объяснение, почему одни материалы являются изоляторами, а другие проводниками, было одним из первых ощутимых результатов теории квантовой механики. Квантовые механические модели постулируют, что в твердых телах атомы, составляющие материал, могут иметь только определенные энергетические состояния («позиции», где электроны вращаются вокруг ядра). «Возможные и невозможные состояния чередуются в шаблон полосы», объясняет Капоне. «В изоляторах некоторые полосы полностью «оккупированы», а другие являются пустыми, в то время как в проводниках некоторые пустые места остаются в пределах полосы». Топологические изоляторы напоминают нормальные изоляторы, с той разницей, что энергетические состояния являются перевернутыми. «Это, как если бы полосы содержали искусственные отверстия» продолжает Капоне.
Проводимость в этих материалах также является странной и по другой причине. «Электроны, содержащиеся в энергетических слоях, имеют спин, который мы представляем себе в качестве направления вращения вокруг своей оси. В металле (проводнике), электроны, приводимые в действие электрическим полем, обычно двигаются в том же направлении, независимо от их спина, в то время как топологические изоляторы-электроны с противоположным спином распространяются в противоположных направлениях», говорит Адриано Амариччи, другой исследователь SISSA участие в проекте. «Эта особенность делает их привлекательными для спинтроники». На самом деле, в электронике информация кодируется в последовательности или строка нулей и единиц, которые соответствует состояниям «включения» и «выключения», в то время как в спинтронике нули и единицы соответствуют типу спина, которая может быть только «вверх»или «вниз». Топологические изоляторы могут составлять материальную базу для этого алфавита.
Отличие топологических изоляторов от нормального металла является очень абстрактным и неуловимым. «Для того, чтобы иметь представление, попробуйте сравнить эту ситуацию с той разницей между магнитным и немагнитным состоянием. Последнее является разницей, которая может быть легко измерена», объясняет Амариччи.
Свойства топологических изоляторов определены абстрактно и математически. «Благодаря использованию математической модели и моделирования, мы показали, что новые топологические изоляторы можно найти в материалах, которые демонстрируют впечатляющие функции, которые легко обнаруживаются благодаря сильному взаимодействию электрон-электрон» продолжает Amaricci. «Таким образом, будет легче идентифицировать эти материалы экспериментально, чтобы затем лучше исследовать эту важную область исследований».
|
