Po prvi put, fizičari su primetili nove kvantne efekte u topološkom izolatoru na sobnoj temperaturi. Ovo otkriće, objavljeno kao naslovni članak oktobarskog izdanja časopisa Nature Materials, došlo je kada su naučnici sa Prinstona istražili topološki materijal zasnovan na elementu bizmutu.
Naučnici su koristili topološke izolatore da demonstriraju kvantne efekte više od jedne decenije, ali ovaj eksperiment je prvi put da su ovi efekti primećeni na sobnoj temperaturi. Tipično, za indukovanje i posmatranje kvantnih stanja u topološkim izolatorima su potrebne temperature oko apsolutne nule, što je jednako -459 stepeni Farenhajta (ili -273 stepena Celzijusa).
Ovo otkriće otvara nove mogućnosti za razvoj efikasnih kvantnih tehnologija, kao što je elektronika zasnovana na spinu, koja potencijalno može zameniti mnoge trenutne elektronske sisteme za veću energetsku efikasnost.
Poslednjih godina, proučavanje topoloških stanja materije je privuklo značajnu pažnju među fizičarima i inženjerima i trenutno je u fokusu velikog međunarodnog interesovanja i istraživanja. Ova oblast proučavanja kombinuje kvantnu fiziku sa topologijom — granom teorijske matematike koja istražuje geometrijska svojstva koja se mogu deformisati, ali ne i suštinski menjati.
„Nova topološka svojstva materije su se pojavila kao jedno od najtraženijih blaga u modernoj fizici, kako sa tačke gledišta fundamentalne fizike, tako i za pronalaženje potencijalnih primena u kvantnom inženjerstvu i nanotehnologijama sledeće generacije“, rekao je M. Zahid Hasan , Eugene Higgins profesor fizike na Univerzitetu Princeton, koji je vodio istraživanje.
„Ovaj rad je omogućen višestrukim inovativnim eksperimentalnim napretkom u našoj laboratoriji na Prinstonu“, dodao je Hasan.
Glavna komponenta uređaja koja se koristi za istraživanje misterija kvantne topologije naziva se topološki izolator. Ovo je jedinstveni uređaj koji u svojoj unutrašnjosti deluje kao izolator, što znači da se elektroni unutar njih ne kreću slobodno i stoga ne provode struju.
Međutim, elektroni na ivicama uređaja se slobodno kreću, što znači da su provodljivi. Štaviše, zbog posebnih svojstava topologije, elektroni koji teku duž ivica nisu ometani nikakvim defektima ili deformacijama. Ovaj uređaj ima potencijal ne samo da poboljša tehnologiju već i da stvori bolje razumevanje same materije ispitivanjem kvantnih elektronskih svojstava.
Do sada je, međutim, postojao veliki kamen spoticanja u potrazi za korišćenjem materijala i uređaja za primenu u funkcionalnim uređajima. „Postoji veliko interesovanje za topološke materijale i ljudi često govore o njihovom velikom potencijalu za praktične primene“, rekao je Hasan, „ali sve dok se neki makroskopski kvantni topološki efekat ne može manifestovati na sobnoj temperaturi, ove aplikacije će verovatno ostati nerealizovane.
To je zato što ambijentalne ili visoke temperature stvaraju ono što fizičari nazivaju „termičkom bukom“, koja se definiše kao porast temperature tako da atomi počinju silovito da vibriraju. Ova akcija može poremetiti delikatne kvantne sisteme, čime se urušava kvantno stanje. U topološkim izolatorima, posebno, ove više temperature stvaraju situaciju u kojoj elektroni na površini izolatora prodiru u unutrašnjost, ili „veliku masu“, izolatora, i uzrokuju da elektroni tamo takođe počnu da provode, što razblažuje ili lomi specijalni kvantni efekat.
Način da se ovo zaobiđe je da se takvi eksperimenti podvrgnu izuzetno niskim temperaturama, obično na ili blizu apsolutne nule. Na ovim neverovatno niskim temperaturama, atomske i subatomske čestice prestaju da vibriraju i shodno tome je lakše manipulisati. Međutim, stvaranje i održavanje ultra-hladnog okruženja je nepraktično za mnoge aplikacije; skupo je, glomazno i troši znatnu količinu energije.
Ali Hasan i njegov tim razvili su inovativan način da zaobiđu ovaj problem. Nadovezujući se na svoje iskustvo sa topološkim materijalima i radeći sa mnogim saradnicima, napravili su novu vrstu topološkog izolatora napravljenog od bizmut bromida (hemijska formula a-Bi4Br4), koji je neorgansko kristalno jedinjenje koje se ponekad koristi za tretman vode i hemijske analize.
„Ovo je sjajno što smo ih pronašli bez ogromnog pritiska ili ultra-visokog magnetnog polja, čime smo materijale učinili dostupnijim za razvoj kvantne tehnologije sledeće generacije“, rekla je Nana Šumija, koja je doktorirala. na Prinstonu, postdoktorski naučni saradnik u oblasti elektrotehnike i računarstva, i jedan je od tri koautora rada.
Ona je dodala: „Verujem da će naše otkriće značajno unaprediti kvantnu granicu.“
Koreni otkrića leže u funkcionisanju kvantnog Holovog efekta — oblika topološkog efekta koji je bio predmet Nobelove nagrade za fiziku 1985. Od tog vremena, topološke faze su se intenzivno proučavale. Pronađene su mnoge nove klase kvantnih materijala sa topološkim elektronskim strukturama, uključujući topološke izolatore, topološke superprovodnike, topološke magnete i Vejlove polumetale.
Dok su eksperimentalna otkrića brzo dolazila, teorijska otkrića su takođe napredovala. Važne teorijske koncepte o dvodimenzionalnim (2D) topološkim izolatorima izneo je 1988. F. Duncan Haldane, profesor fizike na Univerzitetu Sherman Fairchild na Prinstonu.
Dobitnik je Nobelove nagrade za fiziku 2016. godine za teorijska otkrića topoloških faznih prelaza i vrste 2D topoloških izolatora. Kasniji teorijski razvoji su pokazali da topološki izolatori mogu imati oblik dve kopije Haldejnovog modela zasnovanog na spin-orbit interakcije elektrona.
Hasan i njegov tim su bili u decenijskoj potrazi za topološkim kvantnim stanjem koje bi moglo da funkcioniše i na sobnoj temperaturi, nakon njihovog otkrića prvih primera trodimenzionalnih topoloških izolatora 2007. Nedavno su pronašli materijalno rešenje za Haldejnovu pretpostavka u kagome rešetkastom magnetu koji je sposoban da radi na sobnoj temperaturi, koji takođe pokazuje željenu kvantizaciju.
„Kagome rešetkasti topološki izolatori mogu biti dizajnirani da poseduju relativističke ukrštanja pojasa i jake elektron-elektronske interakcije. Oba su neophodna za novi magnetizam“, rekao je Hasan. „Zbog toga smo shvatili da su kagome magneti obećavajući sistem u kojem se traže topološke magnetne faze, jer su poput topoloških izolatora koje smo otkrili i proučavali pre više od deset godina.“
„Odgovarajući dizajn atomske hemije i strukture u kombinaciji sa teorijom prvih principa je ključni korak da se spekulativno predviđanje topološkog izolatora učini realističnim u okruženju visoke temperature“, rekao je Hasan. „Postoje stotine topoloških materijala i potrebni su nam intuicija, iskustvo, proračuni specifični za materijale i intenzivni eksperimentalni napori da na kraju pronađemo pravi materijal za dubinsko istraživanje. I to nas je odvelo na decenijsko putovanje istraživanja mnogih materijali na bazi bizmuta“.
Izolatori, kao i poluprovodnici, imaju takozvane izolacione ili pojasne praznine. Ovo su u suštini „barijere“ između elektrona koji orbitiraju, neka vrsta „ničije zemlje“ gde elektroni ne mogu da odu. Ove praznine u pojasu su izuzetno važne jer, između ostalog, predstavljaju ključ u prevazilaženju ograničenja postizanja kvantnog stanja koje nameće termalni šum.
Oni to rade ako širina pojasnog pojasa premašuje širinu toplotnog šuma. Ali preveliki pojas u pojasu potencijalno može da poremeti spin-orbitno spajanje elektrona – ovo je interakcija između spina elektrona i njegovog orbitalnog kretanja oko jezgra. Kada dođe do ovog poremećaja, topološko kvantno stanje se urušava. Prema tome, trik u izazivanju i održavanju kvantnog efekta je pronaći ravnotežu između velikog jaza u pojasu i efekata spin-orbitnog spajanja.
Na predlog saradnika i koautora Fan Zhang i Iugui Iao da istraže vrstu Veil metala, Hasan i tim su proučavali porodicu materijala bizmut bromida. Ali tim nije bio u mogućnosti da posmatra Vejlove pojave u ovim materijalima. Hasan i njegov tim su umesto toga otkrili da izolator bizmut bromida ima svojstva koja ga čine idealnijim u poređenju sa topološkim izolatorom na bazi bizmuta i antimona (Bi-Sb legure) koji su ranije proučavali.
Ima veliki izolacioni jaz od preko 200 meV („mili elektron volti“). Ovo je dovoljno veliko da prevaziđe termalni šum, ali dovoljno malo da ne poremeti efekat spin-orbitne sprege i topologiju inverzije pojasa.
„U ovom slučaju, u našim eksperimentima, pronašli smo ravnotežu između efekata spajanja spin-orbite i velike širine pojasa“, rekao je Hasan. „Otkrili smo da postoji ‘slatka tačka’ gde možete imati relativno veliku spin-orbitnu spregu da biste stvorili topološki zaokret, kao i podigli jaz u pojasu bez njegovog uništavanja. To je kao tačka ravnoteže za materijale zasnovane na bizmutu koji već dugo učimo“.
Istraživači su znali da su postigli svoj cilj kada su posmatrali šta se dešava u eksperimentu kroz tunelski mikroskop za skeniranje sub-atomske rezolucije, jedinstveni uređaj koji koristi svojstvo poznato kao „kvantno tuneliranje“, gde se elektroni usmeravaju između oštrog metala. , vrh mikroskopa sa jednim atomom i uzorak.
Mikroskop koristi ovu tunelsku struju umesto svetlosti da bi video svet elektrona na atomskoj skali. Istraživači su primetili jasno kvantno spinsko Holovo ivično stanje, što je jedno od važnih svojstava koja jedinstveno postoje u topološkim sistemima. Ovo je zahtevalo dodatne nove instru
