FoodPro Preloader

Topologiske isolatorer: Stjerne materiale


Av Geoff Brumfiel For en kort stund i Portland, Oregon, flyttet tusenvis av fysikere fra økt til økt på det årlige marsmøtet i American Physical Society (APS) i utkikk etter neste store ting. Det var et talentsøk, ikke i motsetning til det som utfolder seg hver kveld i barene og konverterte dansesalene i Portlands berømte musikkscene, hvor lokalbefolkningen lytter til den neste store lyden. Fysik

Av Geoff Brumfiel

For en kort stund i Portland, Oregon, flyttet tusenvis av fysikere fra økt til økt på det årlige marsmøtet i American Physical Society (APS) i utkikk etter neste store ting.

Det var et talentsøk, ikke i motsetning til det som utfolder seg hver kveld i barene og konverterte dansesalene i Portlands berømte musikkscene, hvor lokalbefolkningen lytter til den neste store lyden. Fysikernes søken er imidlertid mye vanskeligere. Tendenser i musikk kommer og går, men disipliner som dominerer APS Mars-møtet - som optikk, elektronikk og kondensert materiefysikk - er forankret i de opprinnelige teoriene om kvantemekanikk, som mer eller mindre ble fullført i 1930-tallet. Når det kommer til å beskrive hvor lett og materiell oppfører seg, har bare noen få fenomen oppstått siden da blitt fysikk tilsvarende superstjerner.

På årets APS-møte ble imidlertid hallene fylt med en lovende nybegynner - en eksentrisk klasse av materialer som kalles topologiske isolatorer. Den mest slående egenskapen til disse isolatorene er at de bare driver elektrisitet på overflaten. Årsakene er matematisk subtile - så mye at en fysiker, Zahid Hasan fra Princeton University i New Jersey, forsøkte å forklare oppførselen ved hjelp av enklere begreper som superstringteori. ("Det er veldig vakre ting, " sa han beroligende.) Imidlertid er implikasjonene rike, alt fra praktisk teknologi for kvantemåling til laboratorietester av avansert partikkelfysikk.

Derfor spenningen. Det er fortsatt for tidlig å si om topologiske isolatorer er den neste store tingen. Men fysikere er auditioning ulike formuleringer av isolatorer i laboratoriene deres, ivrige etter å avgjøre om materialet kan leve opp til sine mange løfter.

En topologisk isolator høres enkelt nok - en blokk av materiale som lar elektroner bevege seg langs overflaten, men ikke gjennom innsiden. Faktisk er det langt fra grei. Vanlige metaller gjennomfører elektroner hele veien gjennom, mens vanlige isolatorer ikke overfører elektroner i det hele tatt. En kobberbelagt blokk av tre utfører bare på overflaten, men det er to materialer, ikke en. Ideen om en topologisk isolator er så rart at fysikere i lang tid ikke hadde grunn til å tro at et slikt materiale ville eksistere.

Quantum dance

Ting forandret seg i 2004, da Charles Kane, en teoretisk fysiker ved University of Pennsylvania i Philadelphia, studerte kuller kalt grafen. Kanes beregninger antydet at elektroner ville bevege seg gjennom dette ettatomstykke materialet på en måte som minnet ham om kvantehalleneffekten: et fenomen som først ble observert i 1980. Denne effekten skjer når elektroner er begrenset til tynne filmer av visse materialer, utsatt for store elektriske og magnetiske felt, og avkjølt til innenfor bare en brøkdel av en grad over absolutt null. På det tidspunktet gir den vanlig kaotiske bevegelsen av elektronene vei til en mer ordnet kollektiv oppførsel styrt av kvantemekanikk. Overgangen oppstår i laboratoriet som en serie diskrete kvantetrinn i kapasiteten til materialet til å lede strøm.

Det som Kane og hans gruppe så i sine grafenberegninger, var ikke akkurat det samme som kvant-Hall-effekten. Likevel viste videre analyser at det kan være andre tynnfilmsmaterialer med lignende oppførsel. Denne gangen ville det ikke være behov for store eksterne magnetfelt eller ultra lave temperaturer for å få elektronene til å bevege seg sammen. Et slikt materiale ville produsere magnetfeltet fra kjernene i sine egne atomer - muligens til og med ved romtemperatur.

Disse koordinerte elektronene vil for det meste ende opp med å snuble på plass. Imidlertid vil de på kanten av tynnfilmen være tvunget til å hoppe over grensen. Nettoresultatet ville være at tynne prøver ville lede elektrisitet langs kanten - og bare langs kanten - men i separate kvantetrinn, som ligner de som ses i quantum Hall-effekten.

Arbeidet til Kane og hans kolleger ble lagt merke til nesten umiddelbart. Joel Moore, en teoretiker ved University of California, Berkeley, og hans medarbeidere bygget på Kanes beregninger for å vise at tredimensjonale materialblokker også ville vise kvanteffekter, selv om måten elektroner flyttet langs overflaten ville være mer komplisert enn i det flate bladet som brukes av Kane. Moore ga også materialene et nytt navn. De ble opprinnelig kalt "novelle Z2 topologiske invariants" av Kane, med henvisning til de kvantemekaniske egenskapene som forårsaker at elektronene hopper over kanten. "Vi ble lei av å skrive det ut, så vi kalte det en" topologisk isolator ", sier Moore. "Jeg vet ikke at dette begrepet er spesielt forklarende, men i det minste er det kort."

I mellomtiden studerte Shoucheng Zhang ved Stanford University i Palo Alto, California, og hans team hvilke typer ekte materiale som kunne være topologiske isolatorer. I de fleste materialer skjønte Zhang at koblingen mellom elektroner og kjerner er for svak til å skape en topologisk isolerende oppførsel. Men koblingen blir sterkere etter hvert som kjernene blir tyngre. I 2006 forutslo Zhang at et spesielt materiale, en krystall laget av de tunge elementene kvikksølv og tellurium, ville kunne gjøre tric3. Og innen et år hadde Laurens Molenkamp, ​​en fysiker ved Universitetet i Würzburg i Tyskland, og hans gruppe vokst et tynt lag av kvikksølv telluridkrystall og viste at dens konduktivitet hoppet fra en kvanteverdi til den neste langs kanten av prøven.

Forsøket av Molenkamp viste at teoretikerne var på noe, men i seg selv forårsaket det ikke mye spenning. Kviksølv-telluridkrystaller er vanskelige å oppnå - de må vokse ett lag av gangen ved hjelp av en arbeidskrevende prosess kjent som molekylærbeltepitaks - og de er ikke rene topologiske isolatorer fordi de driver litt strøm på innsiden.

Nye forbindelser basert på vismut, som er enkle å lage og billig å jobbe med, har forårsaket at feltet tar av. "Det som fikk så mange samtaler på marsmøtet var de vismutbaserte forbindelsene, " sier Hasan. "Alle kan dyrke dem, du kan kjøpe dem fra hyllen, og du trenger ikke en høy renhets krystall for å se de topologiske effektene."

Disse effektene går utover måten elektroner beveger seg på overflaten. For eksempel spinner alle elektroner på kvantemekanisk måte. Vanligvis bankes spinnene kontinuerlig av tilfeldige kollisjoner og forsvunnet magnetfelt. Men spinnelektroner på overflaten av en topologisk isolator er beskyttet mot forstyrrelse av kvanteffekter. Dette kan gjøre materialene fordelaktige for spinrelatert elektronikk, som vil bruke orienteringen av elektronspinnen til å kode informasjon, og dermed åpne opp et helt nytt område av datateknologi.

Matematisk etterligning

Forskere mener også at de kollektive bevegelsene til elektroner inne i topologiske isolatorer vil etterligne flere av de aldri tidligere sett partiklene spådd av høy energi fysikere. Blant dem er axions, hypotetiske partikler spådd på 1970-tallet; magnetiske monopoler, enkelte punkter i nord og sør magnetisme; og Majorana partikler - masseløse, ladeløse enheter som kan tjene som egne antipartikler.

Denne etterligningen er ikke helt overraskende. Nesten per definisjon kan kollektive elektronbevegelser beskrives ved bare en håndfull variabler som advarer enkle ligninger, sier Frank Wilczek, en nobelprisvinnende partikkelfysiker ved Massachusetts Institute of Technology i Cambridge. "Det er bare noen få typer likninger som du kan skrive ned som er veldig enkle, " sier han. Så topologisk-isolator teoretikere og partikkelfysikere har nesten uunngåelig endte på samme sted.

Majorana partikler kan vise seg å være spesielt nyttige for praktisk kvantumberegning. Tanken er å utføre beregninger ved hjelp av kvantemekanikkloven, noe som kan gjøre datamaskiner mye raskere enn det normale varianten ved bestemte oppgaver som kodebryter. Men de skrøbelige kvanteverdiene som er avgjørende for deres drift, blir lett ødelagt av støt fra omgivelsene. Majorana partikler vil spre kvantuminformasjon på tvers av partikler, noe som gjør dem langt mer motstandsdyktige mot forstyrrelser, sier Kane. Hvis Majorana-partikler kunne utnyttes på overflaten av en topologisk isolator, ville dette være stort, sier han.

Rikken av beregninger, eksperimenter og applikasjoner som tilbys av topologiske isolatorer, sammen med tilgjengeligheten, har gitt feltet en hvit hot status for øyeblikket - som har en viss tørst etter ære. To variasjoner av quantum Hall-effekten har vunnet sine oppdagere Nobelpriser, og noen forskere tror at en nobel venter på den som kan bidra mest til det voksende feltet. "Jeg tenker ikke på det nå, " sier Kane, men konkurranseevnen har tvunget ham til å sikre at andre er klar over sitt arbeid. "Jeg føler meg som om jeg ikke hevder meg selv, så skal jeg bli begravet, " sier han.

Likevel er turer til Stockholm noen vei unna. Selv om prøver av topologiske isolatorer nå er enkle å ta tak i, inneholder de fremdeles urenheter som gjør at de kan føre strøm på innsiden, forstyrre tilstandene på overflaten. Å få ting perfekt forblir mer av en kunst enn en vitenskap. Videre vil noen av de etterspurte effektene kreve topologiske isolatorer som skal kombineres med mer vanlige materialer. For å lage Majorana-partikler, for eksempel, vil topologiske isolatorer måtte fusjonere med superledere. Mange eksperimenter på hvordan det er best å gjøre det pågår.

Resultatene av disse studiene vil avgjøre om topologiske isolatorer er mer enn et enkelt treff. Uansett, sier Moore, er det en ubestridelig appell i hvordan den kollektive oppførelsen av elektroner kan føre til så mange fantastiske ting. "Det er noe om mangepartikkelkvantemekanikk som forårsaker perfeksjon å komme ut av ufullkommenhet, " sier han. "Det er noe jubel så langt som våre daglige liv er bekymret."

Siste nytt

Hot Spot Hot Rod: Internett Invaderer AutomobileRinger av Saturn og 2 Moons Shine i nydelig NASA PhotoAntarktis Lake Vostok May Hold Extreme LifeÅ gjøre de store Apple Green Starts med Empire State BuildingSaint Patrick's Day Science: Brew Up Some Green Soda Pop!Incognito Caterpillar truer amerikanske grenserAfrika Faces Hotter FutureEt resirkulert univers