211service.com
Fiziķi atklāj pasaulē pirmo dabiski sastopamo topoloģisko izolatoru
Topoloģiskie izolatori ir viens no aizraujošākajiem jaunajiem materiāliem zinātnē. Šī lieta ir dīvaina, jo tā ir vadītājs uz virsmas, bet izolators iekšpusē, drīzāk kā ledus bloks, kurā kūstošs ūdens plūst apkārt, bet ir iesprostots kā cieta viela vidū.
Bet topoloģiskajiem izolatoriem ir vēl viena īpašība. Elektroni, kas plūst virs topoloģiskā izolatora virsmas, visi ir saskaņoti noteiktā veidā. Faktiski to griezieni ir fiksēti taisnā leņķī pret kustības virzienu.
Šī griešanās impulsa bloķēšana nozīmē, ka elektroni ir imūni pret triecienu, ko tie varētu iekļūt parastā vadītājā. Tā vietā elektroni var pārvietoties pa ideāliem topoloģiskiem izolatoriem ar 100 procentu efektivitāti pat istabas temperatūrā.
Šī unikālā uzvedība ir satraukusi gan fiziķus, gan elektronikas inženierus. Tas nozīmē, ka topoloģiskie izolatori varētu veidot pamatu pilnīgi jaunas paaudzes elektroniskām ierīcēm, kas kodē informāciju, izmantojot gan elektrona griešanos, gan lādiņu.
Bet ir problēma. Topoloģisko izolatoru ir maz. Fiziķi prognozēja to eksistenci cietās vielās 2005. gadā un sintezēja pirmo piemēru 2008. gadā — sarežģīta kristāliska struktūra, kuras pamatā ir bismuta antimonīds. Taču grūtības radīt citus piemērus ir nopietna problēma jaunajai spintronikas tehnoloģijai.
Šķiet, ka tas mainīsies. Šodien Paskāls Gērings no Maksa Planka Cietvielu pētniecības institūta Štutgartē un daži draugi ir atraduši pirmo dabiski sastopama topoloģiskā izolatora piemēru kvarca paraugā no raktuvēm Čehijā. Atklājums rada izredzes, ka arī citi dabiski sastopami materiāli var būt topoloģiski izolatori.
Jaunais materiāls ir pelēks, metālisks minerāls ar nosaukumu Kawazulite, kas izgatavots no bismuta, telūra, selēna un sēra. Nosaukums cēlies no Kawazu raktuvēm Japānā, kur tas pirmo reizi tika atklāts.
Ņemot vērā kavazulīta kristāla struktūru, materiālu zinātniekiem ir aizdomas, ka tas varētu darboties kā topoloģisks izolators. Patiešām, viņi ir sintezējuši materiālu laboratorijā un izmērījuši to īpašības, lai uzzinātu.
Tomēr visos gadījumos prognozētā topoloģiskā izolācija neizdevās īstenoties sintezētā materiāla struktūras defektu dēļ.
Tagad Gehring un co ir izveidojuši vienas kristāliskas minerāla loksnes, atdalot tās no dabiski sastopama kristāla. Kad viņi izmērīja šīs loksnes īpašības, izrādījās, ka tas ir vadītājs uz virsmas un izolators iekšpusē, tāpat kā prognozēts.
Komanda spekulē, ka dabā sastopamajam kavazulītam ir mazāk defektu nekā tā sintētiskajam brālēnam, jo tas ir tik vecs: jebkuri defekti ir izkrituši no struktūras miljoniem gadu kopš tā veidošanās.
Tagad jautājums ir par to, vai no dabā sastopamā kavazulīta ir iespējams izgatavot pietiekami daudz viena kristāla loksnes, lai fiziķi, kas strādā pie nākamās paaudzes spintroniskām ierīcēm, varētu tos izmantot.
Ja viņi spēs pilnveidot šīs ierīces, elektronikas nozare kādu dienu varētu paļauties uz dabā sastopamiem topoloģiskajiem izolatoriem no kvarca raktuvēm Japānā un ārpus tās.
Atsauce: arxiv.org/abs/1311.6637 : Dabisks topoloģiskais izolators