Физики впервые наблюдали новые квантовые эффекты в топологическом изоляторе при комнатной температуре. Этот прорыв произошел, когда ученые из Принстонского университета исследовали топологический материал на основе элемента висмута. Исследование было опубликовано в качестве обложки октябрьского номера журнала Nature Materials.
Хотя ученые уже более десяти лет используют топологические изоляторы для демонстрации квантовых эффектов, в этом эксперименте эти эффекты впервые наблюдались при комнатной температуре. Индуцирование и наблюдение квантовых состояний в топологических изоляторах обычно требует температуры около абсолютного нуля, что равно минус 459 градусов по Фаренгейту (или -273 градуса по Цельсию).
Это открытие открывает новые возможности для разработки эффективных квантовых технологий, таких как спиновая электроника, которые потенциально могут заменить многие современные электронные системы со значительно более высокой энергоэффективностью.
В последние годы изучение топологических состояний материи привлекло значительное внимание физиков и инженеров. Фактически, в настоящее время он находится в центре большого международного интереса и исследований. Эта область исследований объединяет квантовую физику с топологией — разделом теоретической математики, изучающим геометрические свойства, которые можно деформировать, но не изменить по сути.
Топологический изолятор — это основной компонент устройства, используемый для исследования тайн квантовой топологии. Это уникальное устройство действует как изолятор внутри, а это означает, что электроны внутри него не могут свободно перемещаться и, следовательно, не проводят электричество. Однако электроны на краях устройства могут свободно перемещаться, что означает, что они являются проводящими. Более того, благодаря особым свойствам топологии электронам, текущим по краям, не мешают какие-либо дефекты или деформации. Это устройство может не только улучшить технологию, но и дать более глубокое понимание самой материи путем исследования квантовых электронных свойств.
Однако до сих пор в стремлении использовать материалы и устройства для приложений в функциональных устройствах был главный камень преткновения. Даже макроскопический квантовый топологический эффект не будет проявляться при комнатной температуре. Это связано с тем, что окружающая среда или высокие температуры создают то, что физики называют "тепловым шумом", который определяется как повышение температуры, при котором атомы начинают сильно вибрировать. Это действие может нарушить работу тонких квантовых систем, тем самым разрушив квантовое состояние. В частности, в топологических изоляторах эти более высокие температуры создают ситуацию, при которой электроны на поверхности изолятора вторгаются внутрь или в "объем" изолятора и заставляют электроны там также начинать проводить ток, что ослабляет или разрушает особый квантовый эффект.
Обойти это можно, подвергая такие эксперименты исключительно низким температурам, обычно равным абсолютному нулю или близким к нему. При этих невероятно низких температурах атомные и субатомные частицы перестают вибрировать, и, следовательно, ими легче манипулировать. Но создание и поддержание ультрахолодной среды нецелесообразно для многих приложений — это дорого, громоздко и потребляет значительное количество энергии.
Однако авторы новой научной работы разработали инновационный способ обойти эту проблему. Опираясь на свой опыт работы с топологическими материалами и работая со многими сотрудниками, они изготовили топологический изолятор нового типа из бромида висмута (химическая формула α-Bi 4 Br 4 ), который представляет собой неорганическое кристаллическое соединение, иногда используемое для очистки воды и химических анализов.
Когда исследователи посмотрели, что происходит в эксперименте, через сканирующий туннельный микроскоп с субатомным разрешением, они поняли, что достигли своей цели. Этот микроскоп представляет собой уникальное устройство, в котором используется свойство, известное как "квантовое туннелирование", при котором электроны направляются между острым металлическим одноатомным наконечником микроскопа и образцом.
Эти исследования потребуют разработки еще одного набора новых инструментов и методов, чтобы полностью использовать огромный потенциал этих материалов.
