Топологични изолатори - ново състояние на материята

През 2016 г. Нобеловата награда по физика беше присъдена на трима американски учени: Дънкан Холдейн, Джон Костерлиц и Дейвид Тулес за „теоретични открития на топологични фазови преходи и топологични фази на материята“. Искаме да ви запознаем с тази неясна фраза, като ви разкажем завладяваща история за това как са били изследвани различни аспекти на електрическата проводимост и какво е довело до това.

Хората събират кехлибар от незапомнени времена. Първото писмено споменаване на факта, че кехлибарът, натъркан върху вълна, привлича малки парченца лен и други вещества, принадлежи на гръцкия философ. Фалес от Милет, приблизително 600 г. пр.н.е Съвременната дума и нейните производни идват от гръцкото име за кехлибар „електрон“ (ελεκτρον).

В началото на XNUMX век английският натуралист Уилям Гилбърт Той забелязал, че не само кехлибарът, но и много други вещества могат да бъдат „наелектризирани“ чрез триене. Сто години по-късно самоук Стивън Грей в Англия, заедно със своя френски приятел, той показа, че електричеството, произведено от триене на стъклен прът, може да се предава на дълги разстояния чрез метали и мокри нишки, които и двамата наричат проводници на електричество. В първите си експерименти те подреждат проводниците на електричеството вертикално, защото тогава електричеството изглежда е нещо като течност, която просто тече отгоре надолу. Накрая Грей пусна електричество хоризонтално от една част на градината си в друга, използвайки влажно въже за опаковане, окачено от копринени непроводими примки.

Носители на Нобелова награда по физика за 2016 г.: D. D. Tuless, F. D. Haldane, J. M. Kosterlitz.

Електронът като носител на ток

Днес огромни количества електричество се предават чрез нишки от тънки алуминиеви жици, окачени на високи стоманени стълбове. Носителите на тази енергия са невъобразимо малки частици материя - електроните - надарен с отрицателен електрически заряд, който наричаме елементарен, тъй като вече не може да бъде разделен на по-малки части. Тези електрони са се отделили от своите атоми на проводника и са почти свободни да се движат в метала. Металът се съпротивлява на потока от електрически ток, тъй като електроните, принудени да се движат в посока, постоянно се разпръскват в резултат на сблъсъци с дефекти в правилното подреждане на родителските атоми, като чужди примеси. Но електронът не се държи просто като масивна частица материя, като миниатюрна билярдна топка. Квантовата механика учи, че електронът, поне когато не се наблюдава, се държи като вълна и е обект на вълноподобни интерферентни явления. Освен това електронът е надарен с допълнително квантово свойство, наречено обратнопри което той също се държи като миниатюрен магнит.

Електрическото съпротивление е специфично свойство на проводника, в зависимост от вида на веществото, от което е направен, както и неговата дължина и напречно сечение. Дори през XNUMX век Георг Ом той формулира в Германия закон, който определя големината на потока от електрони, тоест силата на електрическия ток, в зависимост от напрежението, приложено към проводника и неговото съпротивление. Закон на Ом е един от основните закони на физиката и електротехниката. В знак на признание за заслугите на Ом, името му беше почетено по два начина - първо с името на единицата за електрическо съпротивление и повече от век по-късно... с името на един от кратерите на Луната. Наличието на електрическо съпротивление причинява огромни загуби на енергия в енергийните мрежи, така че електрическите кабели са направени от мед или, много по-икономично, от алуминий; материали с ниско съпротивление.

Електрическото съпротивление изчезва.

Междувременно през 1911 г. холандският учен Камерлинг Оннес той открива, че някои метали, като олово, когато се охладят до температура, близка до абсолютната нула (-273 ° C), напълно губят електрическо съпротивление. Това явление се нарича свръхпроводимостостана загадка почти половин век. Стана ясно, че свръхпроводящите електрони трябва да са в някакво необичайно състояние на кръстосана корелация, когато движението на един електрон корелира с движението на други. Само тогава е практически невъзможно да се разпръсне един електрон, тъй като това ще промени движението на всички останали. Квантовата механика предсказва такава колективна кохерентност на огромен брой частици от определен тип, например. фотоникогато всички са в едно и също квантово състояние. Но електроните, поради големината на техния спин, принадлежат към друга категория частици, наречена фермионикоито се избягват взаимно и не могат да бъдат едновременно в едно и също състояние.

Едва през 1957г Джон Бардийн, Леон Купър i Джон Шифър в САЩ обясниха феномена свръхпроводимост, за което получиха Нобелова награда. Те показаха, че при благоприятни условия може да се появи малка сила на привличане между двойки отдалечени електрони с противоположни завъртания, компенсираща електрическото отблъскване, поради което такава двойка се държи като единична частица, която вече не принадлежи към категорията на фермионите. При достатъчно ниска температура всички пари преминават в едно и също състояние с най-ниска енергия, създавайки един вид кохерентен кондензат, отговорен за свръхпроводимостта. За съжаление, поради необходимостта от използване на течен хелий за достигане на критичната температура, под която възниква свръхпроводимост, металните свръхпроводници не са намерили значителна употреба в енергийния сектор.

висящи влакове

Неочаквано през 1986г Джордж Беднорц i Алекс Мюлер от изследователския център на IBM в Рюшликон, близо до Цюрих, установи, че някои керамични изделия стават свръхпроводими при много по-висока температура от досега известните свръхпроводници. Очакваше се да се произвеждат свръхпроводящи материали при стайна температура. Различни изследователски групи по света започнаха да получават материали с все по-високи критични температури. Преносът на мощност без загуби, по-ефективните свръхпроводящи двигатели и генератори по принцип биха могли да се реализират вече при температурата на течния азот, който е евтина и широко достъпна течност.

Въпреки това, не беше възможно да се получат свръхпроводящи материали при стайна температура. Но основната пречка пред широкото използване на тези нови високотемпературни свръхпроводници се оказа крехката керамика и превръщането им в тънки проводници, използвани в електротехниката, е почти невъзможна задача. Междувременно вече са изобретени различни устройства, които успешно използват високотемпературни свръхпроводници. Стартирането на 31 декември 2000 г. в Китай беше изключително постижение. първият маглев влак използване на високотемпературни свръхпроводници. Маглев (от магнитна левитация) е влак, чиито вагони, благодарение на магнитна левитация, се движат над специални коловози, позволяващи скорост до 600 км/ч. (Съветвам ви да гледате: „Shanghai Maglev“ в YouTube ...).

Топологични изолатори

И накрая, хитът на сезона! През 2016 г. трима американски учени - Дънкан Холдейн, Джон Костерлиц i Дейвид Инструменти - са удостоени с Нобелова награда за теоретична работа, извършена през 70-те и 80-те години. Едва през последното десетилетие те се превърнаха в обект на голям интерес и страст за физиците, благодарение на неочакваното откритие, което направиха през 2005 г. Чарлз Кейн i Юджийн Меле от Университета на Пенсилвания. Те теоретично показаха, че метална проводимост с необичайни свойства може да се появи на повърхността на някои полупроводникови кристали. Тези материали се наричат топологични изолатори.

SnTe топологичен изолационен кристал, отгледан в Института по физика на PAN от д-р С. Анджей Шчербаков

Самото име "топологични изолатори" е подвеждащо. На първо място, тези материали не са изолатори, а добри проводници на електричество, в които по повърхността им протича ток с определени свойства. Второ, формата им няма нищо общо с топологията. Говорейки за топология, чашата и торът обикновено се изобразяват като топологично еквивалентни фигури. Ако тези предмети бяха направени от пластилин, тогава би било възможно, като го омесите, да се преместите от една форма в друга, без да разкъсвате или залепвате материала, като същевременно поддържате съответния отвор. Е, в случая с топологичните изолатори, формата на материала няма значение, въпреки че първоначално се разглеждат само много тънки слоеве от материали, които могат да се третират като двуизмерни обекти. Прилагателното "топологичен" се отнася само до свойствата на някои от математическите трансформации, лежащи в основата на теорията на тези материали.

Спинът на електрона играе ключова роля в топологичните изолатори, което кара електрона да се държи като миниатюрен магнит. Електрон, въртящ се около ядрото на атом, създава магнитно поле, което от своя страна действа върху собствения си магнитен момент. В учебниците по физика това взаимодействие се нарича спин-орбитално взаимодействие. Това е важно при много физически явления и играе уникална роля в топологичните изолатори. Добавяме, че според специалната теория на относителността движещ се електрон усеща магнитно поле дори когато не се върти около ядрото на атома; достатъчно е той да се движи перпендикулярно на посоката на електрическото поле, например върху повърхността на полупроводник.

Ново състояние на материята

Повърхностни токове около топологичен изолатор; черните стрелки символизират въртене на електрона

Така в кристалите на някои полупроводникови съединения и сплави, като например Bi2Se3, в които се наблюдава много силно спин-орбитално взаимодействие, на повърхността им се появява метална проводимост с необичайни свойства. Посоката на въртене на електрона е тясно свързана с посоката на движение на електрона, което от своя страна води до факта, че електроните, движещи се по повърхността и подложени на феномена на вълнова интерференция, са устойчиви на обратно разсейване. Ако такъв електрон срещне дефект, той леко ще го „обиколи“ и ще продължи да се движи в първоначалната си посока. Следователно съпротивлението на тока, пренасян от тези електрони, е много малко. Това е само една, макар и много важна характеристика на тези материали. Всъщност повърхността на такива кристали, която проявява свойствата на необичаен метал, е ново - необичайно - състояние на материята. Неговото откритие постави началото на една завладяваща област на изследвания, която се развива бързо и днес не се знае до какви други открития и практически приложения ще доведе. Теорията предвижда по-специално появата на екзотични квазичастици в топологичен изолатор, вкл. хипотетични майорански фермионикоито могат да се използват за изчисления в бъдещи квантови компютри. Теорията също така предвижда възможността за създаване магнитен монополдокато всеки истински магнит е дипол - той има два магнитни полюса, условно наречени северен и южен, които не могат да бъдат разделени. Възможността за използване на тези материали в спинтрониката, обещаваща форма на електрониката, където ролята на заряда на електрона се заменя с неговия спин, също е обещаваща.

Междувременно през 2011 г. американски физик Лян Фу от Масачузетския технологичен институт теоретично прогнозира, че може да има материали, които имат свойствата на топологичен изолатор, които не изискват силно спин-орбитално взаимодействие. Неговата роля се заменя със съответната симетрия на подреждането на атомите върху повърхността на кристала. Те бяха кръстени кристални топологични изолатори. Година по-късно такъв материал е получен в Института по физика на Полската академия на науките във Варшава от група, ръководена от проф. Томас Сторегу. Това беше троен кристал от атоми на олово, калай и селен. Започна интензивно търсене на нови материали от този клас в различни лаборатории по света. Такива материали включват и просто полупроводниково съединение SnTe, кристализирано в Института по физика на Полската академия на науките. Докато изпращам този текст на редакцията, в едно от най-престижните научни списания - "Наука" - беше публикувана съвместна статия на учени от групата на проф. Storego и техните немски колеги от университета във Вюрцбург, които съобщават за намирането на особени едномерни топологични състояния, възникващи на стъпаловидна повърхност на получения кристал.

Ще стане ли топологичната материя пробив в развитието на съвременните информационни технологии? Това тепърва ще се види. Огромният интерес към тази тема днес стимулира динамичното развитие на физиката на кондензираната материя и свързаните с нея дисциплини.