Электроны мчатся по поверхности некоторых необычных кристаллических материалов, за исключением того, что иногда они не. Два новых исследования ученых из Принстонского и их пособников объяснить источник удивительного поведения и наметить курс для восстановления проводимости в этих замечательных кристаллов, ценится за их потенциального использования в будущем технологий, в том числе квантовых компьютеров.
Исследования были опубликованы в журнале Science.
За последние 15 лет, класс материалов, известных как топологические изоляторы доминировал в поисках материалов будущего. Эти кристаллы имеют необычное свойство: их интерьеры являются диэлектриками, где электроны не могут течь, но их поверхности идеально проводящих, где электроны без сопротивления.
Такова была картина до момента обнаружения два года назад, что некоторые топологические материалы фактически не в состоянии осуществлять текущие на их поверхности, феномен, который получил название «хрупкая топологии».
«Хрупкая топологии-странный зверь: он сейчас предсказано существование в сотни материалов», — сказал Андрей Борисович Bernevig, профессор физики из Принстона и соавтор обоих документов. «Это как если бы обычный принцип, который мы полагались на экспериментально определить топологические состояния ломается».
Чтобы понять, насколько хрупким государствам форма, исследователи обратились к двум ресурсам: математические уравнения и 3D-принтеры. Луис Elcoro в Университете Страны Басков, Bernevig и Принстон постдок жи-да песня построена математическая теория, объясняющая, что происходит внутри материалов.
Далее, Себастьян Хубер и его командой из высшей технической школы Цюриха, в сотрудничестве с исследователями из Принстона, институт имени Вейцмана в Израиле, Южно-китайский технологический университет и Уханьский университет, проверили свою теорию, построив натуральную величину топологического материал из 3D-печатной пластик.
Топологические материалы, рисовать свое имя из области математики, которая объясняет, как формы, такие как пончики и кофе чашки связаны (они оба имеют одно отверстие). Те же принципы можно объяснить, как электроны хоп от атома к атому на поверхности около 20 000 или так топологических материалов, выявленных на сегодняшний день. Теоретические основы топологических материалов получил Нобелевскую премию 2016 по физике за Ф. Дункан Холдейн, Принстона Шерман Фэйрчайлд университет профессором физики.
Что делает эти кристаллы настолько интересными для ученых-это их парадоксальное электронные свойства. Интерьер кристалл имеет способность проводить ток-это диэлектрик. Но резать Кристалл пополам, и электроны будут снимать по вновь открывшимся поверхности без какого-либо сопротивления, защищены их топологической природы.
Объяснение кроется в связи между электронами на поверхности, так и внутренними, или Навальный. Электроны можно рассматривать не как отдельные частицы, а как волны, которые распространяются как рябь воды из камешек, брошенный в пруд. В этот квантово-механический вид, месторасположение каждого электрона описывается распространения волны, называют квантовой волновой функции. В топологической материал, квантовая волновая функция электрона в основной массе распространяется на грань кристалла, или граничной поверхности. Эта переписка между Навальным и границы приводит к идеально проводящей поверхности государства.
Этот принцип «оптом-границы корреспонденции» объяснить топологические поверхностной проводимости было принято еще два года назад, когда горстка научных работ выявили наличие хрупких топологии. В отличие от обычных топологических состояний, хрупкие топологические государства не имеют проводящих поверхностных состояний.
«Обычные Навальный-граница принцип соответствия ломается», — сказал Bernevig. Но как именно, оставалось загадкой.
В первом из двух научных работ, Bernevig, песни и Elcoro дать теоретическое объяснение нового массового границы корреспонденции объяснить хрупкие топологии. Сотрудников показывают, что электрон волновая функция хрупкие топологии распространяется только на поверхность при определенных условиях, которые исследователи называют витой оптом-граница-переписки.
Кроме того, группа обнаружила, что витая оптом-граница-переписка может быть настроен так, что проведение поверхностных состояний появляются. «Исходя из волновой функции формы, мы разработали ряд механизмов внедрения взаимодействия на границе таким образом, что граница государства обязательно будет идеально проводящей», — сказал Луис Elcoro, профессор Университета Страны Басков.
Поиск новых общих принципов является то, что всегда интригует физиков, но этот новый вид массового границей-переписка могут иметь определенное практическое значение, по мнению исследователей. «Витой оптом-граница-соответствие хрупкие топология обеспечивает потенциальный процедуры для контроля состояния поверхности, которые могут быть полезны в механических, электронных и оптических приложений,» сказал Песня.
Но доказать, что теория работает, было практически невозможно, учитывая, что один будет мешать границ в ничтожно малых атомных весов. Поэтому команда обратилась к коллаборационистам, чтобы построить в натуральную величину модель, с которой, чтобы исследовать их идеи.
Во втором научная работа, Себастьян Хубер и его командой из высшей технической школы Цюриха создали масштабный макет топологии кристалла из пластика с помощью 3D-печатных частей. Они использовали звуковые волны для представления волновых функций электронов. Они вставили барьеры, чтобы преградить путь звуковой волны, которая является аналогом резки кристалл, чтобы выявить проводящих поверхностях. Таким образом, исследователи имитировали переплетенные граничное условие, а потом показали, что, манипулируя его, они могли бы продемонстрировать, что свободно проводит звуковой волны перемещается по поверхности.
«Это была очень идея и реализация», — сказал Хубер. «Мы можем теперь показать, что практически все топологические государства, которые были реализованы в нашей искусственной системы хрупки и не стабильны, как считалось в прошлом. Эта работа предусматривает, что подтверждение, но гораздо больше, он вводит новый принцип.»
сделать разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!