Topoloogilised isolaatorid – aine uus olek

2016. aastal pälvisid Nobeli füüsikaauhinna kolm Ameerika teadlast: Duncan Haldane, John Kosterlitz ja David Tuless "topoloogiliste faasisiirete ja mateeria topoloogiliste faaside teoreetiliste avastuste eest". Soovime teile seda ebaselget fraasi tutvustada, rääkides teile põneva loo sellest, kuidas elektrijuhtivuse erinevaid aspekte uuriti ja mis selleni viis.

Inimesed on merevaiku kogunud juba ammusest ajast. Esimene kirjalik mainimine tõsiasjast, et villale hõõrutud merevaik tõmbab ligi väikseid linatükke ja muid aineid, kuulub kreeka filosoofile. Miletus, umbes 600 eKr Tänapäevane sõna ja selle tuletised pärinevad kreekakeelsest nimetusest merevaigu "elektron" (ελεκτρον).

XNUMX. sajandi alguses inglise loodusteadlane William Gilbert Ta märkas, et hõõrdumisega saab "elektrifitseerida" mitte ainult merevaiku, vaid ka paljusid teisi aineid. Sada aastat hiljem iseõppinud Stephen Gray Inglismaal näitas ta koos oma prantslasest sõbraga, et klaaspulga hõõrumisel toodetud elekter võib kanduda pikkade vahemaade taha läbi metallide ja märgade niitide, mida nad mõlemad nimetasid. elektrijuhid. Oma esimestes katsetes paigutasid nad elektrijuhid vertikaalselt, sest elekter tundus siis olevat midagi vedeliku taolist, mis lihtsalt voolab ülevalt alla. Lõpuks juhtis Grey elektrit horisontaalselt ühest oma aia osast teise, kasutades niisket mähkimisnööri, mis oli riputatud siidist mittejuhtivate aasade külge.

2016. aasta Nobeli füüsikaauhinna laureaadid: D. D. Tuless, F. D. Haldane, J. M. Kosterlitz.

Elektron kui voolukandja

Tänapäeval edastatakse tohutul hulgal elektrit kõrgete teraspostide külge riputatud õhukeste alumiiniumtraatide ahelate kaudu. Selle energia kandjad on kujuteldamatult väikesed aineosakesed - elektronid - varustatud negatiivse elektrilaenguga, mida me nimetame elementaarseks, sest seda ei saa enam väiksemateks osadeks jagada. Need elektronid on oma peremeestraadi aatomitest eraldunud ja võivad metalli sees peaaegu vabalt ringi liikuda. Metall peab vastu elektrivoolu voolule, kuna mingis suunas liikuma sunnitud elektronid hajuvad pidevalt põrke tagajärjel põhiaatomite õige paigutuse defektidega, näiteks võõrlisanditega. Kuid elektron ei käitu lihtsalt massiivse aineosakesena, nagu miniatuurne piljardipall. Kvantmehaanika õpetab, et elektron käitub vähemalt siis, kui seda ei täheldata, nagu laine ja on allutatud lainelaadsetele interferentsnähtustele. Lisaks on elektronil täiendav kvantomadus, mida nimetatakse tagasimistõttu see käitub ka minimagnetina.

Elektritakistus on juhi spetsiifiline omadus, mis sõltub aine tüübist, millest see on valmistatud, samuti selle pikkusest ja ristlõikest. Isegi XNUMX sajandil Georg Ohm sõnastas ta Saksamaal seaduse, mis määrab elektronide voolu suuruse ehk elektrivoolu tugevuse sõltuvalt juhile rakendatavast pingest ja selle takistusest. Ohmi seadus on üks füüsika ja elektrotehnika põhiseadusi. Ohmi teenete tunnustamiseks austati tema nime kahel viisil – esmalt elektritakistuse ühiku nimega ja enam kui sajand hiljem ... ühe Kuu kraatri nimega. Elektritakistuse olemasolu põhjustab elektrivõrkudes tohutuid energiakadusid, mistõttu elektrikaablid on valmistatud vasest või, palju ökonoomsemalt, alumiiniumist; madala takistusega materjalid.

Elektritakistus kaob.

Vahepeal, 1911. aastal, Hollandi teadlane Kamerling Onnes ta avastas, et mõned metallid, näiteks plii, kaotavad absoluutse nulli lähedase temperatuurini (-273 °C) jahutades täielikult elektritakistuse. Seda nähtust nimetatakse ülijuhtivusjäi peaaegu pooleks sajandiks saladuseks. Selgus, et ülijuhtivad elektronid peavad olema mingis ebatavalises ristkorrelatsiooni seisundis, kui ühe elektroni liikumine korreleerub teiste liikumisega. Alles siis on praktiliselt võimatu üht elektroni hajutada, kuna see muudab kõigi teiste liikumist. Kvantmehaanika ennustab näiteks tohutu hulga teatud tüüpi osakeste sellist kollektiivset sidusust. footonidkui nad kõik on samas kvantseisundis. Kuid elektronid kuuluvad oma spinni suuruse tõttu teise osakeste kategooriasse, mida nimetatakse fermionidmis väldivad üksteist ega saa olla samal ajal samas olekus.

Alles 1957. aastal John Bardin, Leon Cooper i John Schiffer USA-s selgitati ülijuhtivuse fenomeni, mille eest nad said Nobeli preemia. Need näitasid, et soodsates tingimustes võib vastasspinnidega kaugete elektronide paaride vahele tekkida väike tõmbejõud, mis kompenseerib elektrilise tõuke, mille tõttu selline paar käitub nagu üksik osake, mis ei kuulu enam fermioonide kategooriasse. Piisavalt madalal temperatuuril lähevad kõik aurud samasse olekusse madalaima energiaga, luues mingi koherentse kondensaadi, mis vastutab ülijuhtivuse eest. Kahjuks ei ole metallilised ülijuhid energiasektoris märkimisväärset kasutust leidnud, kuna on vaja kasutada vedelat heeliumi kriitilise temperatuuri saavutamiseks, millest madalamal tekib ülijuhtivus.

hõljuvad rongid

Ootamatult 1986. a Georg Bednorz i Alex Muller Zürichi lähedal Rüschlikonis asuvast IBM-i uurimiskeskusest leiti, et teatud keraamika muutub ülijuhtivaks palju kõrgemal temperatuuril kui seni tuntud ülijuhid. Ülijuhtivaid materjale loodeti toota toatemperatuuril. Erinevad uurimisrühmad üle maailma hakkasid saama üha kõrgema kriitilise temperatuuriga materjale. Kadudeta jõuülekannet, tõhusamaid ülijuhtivaid mootoreid ja generaatoreid saaks põhimõtteliselt realiseerida juba vedela lämmastiku, mis on odav ja laialdaselt kättesaadav vedelik, temperatuuril.

Ülijuhtivaid materjale polnud aga toatemperatuuril võimalik saada. Kuid peamiseks takistuseks nende uute kõrge temperatuuriga ülijuhtide laialdasele kasutamisele on osutunud rabe keraamika ja nende muutmine elektrotehnikas kasutatavateks õhukesteks juhtmeteks on peaaegu võimatu ülesanne. Vahepeal on juba leiutatud mitmesuguseid seadmeid, mis kasutavad edukalt kõrge temperatuuriga ülijuhte. Käivitamine 31. detsembril 2000 Hiinas oli silmapaistev saavutus. esimene maglev rong kasutades kõrge temperatuuriga ülijuhte. Maglev (magnetlevitatsioonist) on rong, mille autod hõljuvad tänu magnetlevitatsioonile spetsiaalsete rööbasteede kohal, võimaldades kiirust kuni 600 km/h. (Soovitan teil vaadata: "Shanghai Maglev" YouTube'is ...).

Topoloogilised isolaatorid

Ja lõpuks hooaja hitt! 2016. aastal kolm Ameerika teadlast - Duncan Haldane, John Kosterlitz i David Tulz - pälvisid Nobeli preemia 70ndatel ja 80ndatel tehtud teoreetilise töö eest. Alles viimasel kümnendil on nad tänu ootamatule avastusele, mille nad 2005. aastal tegid, muutunud füüsikute jaoks suure huvi ja kirega teemaks. Charles Kane i Eugene Mele Pennsylvania ülikoolist. Teoreetiliselt näitasid nad, et mõne pooljuhtkristalli pinnale võib ilmneda ebatavaliste omadustega metalliline juhtivus. Neid materjale nimetatakse topoloogilised isolaatorid.

SnTe topoloogilise isolaatori kristall, mida kasvatas PAN-i Füüsika Instituudis dr S. Andrzej Shcherbakov

Juba nimi "topoloogilised isolaatorid" on eksitav. Esiteks ei ole need materjalid isolaatorid, vaid head elektrijuhid, milles mööda nende pinda liigub teatud omadustega vool. Teiseks pole nende kuju topoloogiaga kuidagi seotud. Topoloogiast rääkides kujutatakse tassi ja torust tavaliselt topoloogiliselt samaväärsete kujunditena. Kui need esemed oleksid plastiliinist, siis oleks võimalik seda sõtkudes liikuda ühest vormist teise ilma materjali rebimata või liimimata, säilitades samas vastava augu. Noh, topoloogiliste isolaatorite puhul materjali kuju ei oma tähtsust, kuigi esialgu arvestati vaid väga õhukeste materjalide kihtidega, mida sai käsitleda kahemõõtmeliste objektidena. Omadussõna "topoloogiline" viitab ainult mõnede nende materjalide teooria aluseks olevate matemaatiliste teisenduste omadustele.

Elektronide spin mängib topoloogilistes isolaatorites võtmerolli, mis paneb elektronid käituma nagu miniatuurne magnet. Aatomi tuuma ümber tiirlev elektron loob magnetvälja, mis omakorda toimib oma magnetmomendil. Füüsikaõpikutes nimetatakse seda interaktsiooni nn spin-orbiidi interaktsioon. See on oluline paljude füüsikaliste nähtuste puhul ja mängib ainulaadset rolli topoloogilistes isolaatorites. Lisame, et erirelatiivsusteooria järgi tunnetab liikuv elektron magnetvälja ka siis, kui ta ei pöörle ümber aatomi tuuma; piisab, kui see liigub risti elektrivälja suunaga, näiteks pooljuhi pinnal.

Aine uus olek

Pinnavoolud topoloogilise isolaatori ümber; mustad nooled sümboliseerivad elektronide spinni

Nii tekib osade pooljuhtühendite ja -sulamite, nagu näiteks Bi2Se3, kristallides, mille puhul täheldatakse väga tugevat spin-orbiidi vastasmõju, nende pinnale ebatavaliste omadustega metallijuhtivus. Elektroni spinni suund on tihedalt seotud elektroni liikumissuunaga, mis omakorda viib selleni, et piki pinda liikuvad ja laineinterferentsi nähtusele alluvad elektronid on tagasihajumisele vastupidavad. Kui selline elektron puutub kokku defektiga, “kõnnib” see õrnalt ümber ja jätkab liikumist oma algses suunas. Seetõttu on nende elektronide poolt kantava voolu takistus väga väike. See on nende materjalide üks, kuigi väga oluline omadus. Tegelikult on selliste kristallide pind, millel on ebatavalise metalli omadused uus – ebatavaline – aine olek. Tema avastusest sai alguse põnev uurimisvaldkond, mis kiiresti areneb ja täna pole teada, milliste avastuste ja praktiliste rakendusteni see veel viib. Teooria ennustab eelkõige eksootiliste kvaasiosakeste ilmumist topoloogilises isolaatoris, sh. hüpoteetilised Majorana fermionidmida saab kasutada arvutuste tegemiseks tulevastes kvantarvutites. Teooria ennustab ka loomise võimalust magnetiline monopolsamas kui iga tõeline magnet on dipool - sellel on kaks magnetpoolust, mida tinglikult nimetatakse põhjaks ja lõunaks, mida ei saa eraldada. Paljutõotav on ka võimalus kasutada neid materjale spintroonikas, lootustandvas elektroonikavormis, kus elektronlaengu roll asendatakse selle spinniga.

Vahepeal, 2011. aastal, Ameerika füüsik Liang Fu Massachusettsi Tehnoloogiainstituut ennustas teoreetiliselt, et võib olla materjale, millel on topoloogilise isolaatori omadused, mis ei vaja tugevat spin-orbiidi vastastikmõju. Selle roll asendub vastava aatomite paigutuse sümmeetriaga kristalli pinnal. Neid nimetati kristalsed topoloogilised isolaatorid. Aasta hiljem sai sellise materjali Poola Teaduste Akadeemia Füüsika Instituudis Varssavis rühm eesotsas. prof. Tomas Storegu. See oli plii-, tina- ja seleeniaatomite kolmikkristall. Erinevates laborites üle maailma on alanud intensiivne uute selle klassi materjalide otsimine. Selliste materjalide hulka kuulub ka lihtne pooljuhtühend SnTe, mis on kristalliseerunud Poola Teaduste Akadeemia Füüsika Instituudis. Sel ajal, kui ma seda teksti toimetusele saadan, avaldasid ühes mainekamas teadusajakirjas - "Nauka" ühise artikli prof. Storego ja nende Saksa kolleegid Würzburgi ülikoolist, kes teatasid, et leidsid saadud kristalli astmelisel pinnal omapärased ühemõõtmelised topoloogilised seisundid.

Kas topoloogilisest ainest saab läbimurre kaasaegsete infotehnoloogiate arengus? Seda tuleb veel näha. Tänapäeval tekitab kondenseeritud aine füüsika ja sellega seotud distsipliinide dünaamiline areng selle teema vastu tohutut huvi.