Fizycy odkrywają pierwszy na świecie naturalnie występujący izolator topologiczny

Izolatory topologiczne to jeden z bardziej ekscytujących nowych materiałów w nauce. Ten materiał jest dziwny, ponieważ jest przewodnikiem na powierzchni, ale wewnątrz jest izolatorem, przypominający bryłę lodu, w której topiąca się woda przepływa na zewnątrz, ale jest uwięziona jako ciało stałe w środku.

Ale izolatory topologiczne mają inną właściwość. Wszystkie elektrony przepływające po powierzchni izolatora topologicznego są ustawione w określony sposób. W rzeczywistości ich obroty są zablokowane pod kątem prostym do ich kierunku ruchu.

To blokowanie spin-pędu oznacza, że ​​elektrony są odporne na uderzenia, które dostałyby się do wnętrza zwykłego przewodnika. Zamiast tego elektrony mogą poruszać się przez doskonałe izolatory topologiczne ze 100-procentową wydajnością, nawet w temperaturze pokojowej.

To wyjątkowe zachowanie ekscytowało zarówno fizyków, jak i inżynierów elektroników. Oznacza to, że izolatory topologiczne mogą stanowić podstawę zupełnie nowej generacji urządzeń elektronicznych, które kodują informacje przy użyciu zarówno spinu, jak i ładunku elektronu.

Ale jest problem. Izolatory topologiczne są bardzo nieliczne. Fizycy przewidzieli ich istnienie w ciałach stałych w 2005 r. i zsyntetyzowali pierwszy przykład w 2008 r. — złożoną strukturę krystaliczną opartą na antymonku bizmutu. Jednak trudność w przedstawieniu innych przykładów jest poważnym problemem dla powstającej technologii spintroniki.

Wygląda na to, że to się zmieni. Dzisiaj Pascal Gehring z Max Planck Institute for Solid State Research w Stuttgarcie i kilku kumpli znaleźli pierwszy przykład naturalnie występującego izolatora topologicznego w próbce kwarcu z kopalni w Czechach. Odkrycie to stwarza perspektywę, że inne naturalnie występujące materiały również mogą być izolatorami topologicznymi.

Nowy materiał to szary, metaliczny minerał o nazwie Kawazulite, który składa się z bizmutu, telluru, selenu i siarki. Nazwa pochodzi od kopalni Kawazu w Japonii, gdzie po raz pierwszy została odkryta.

Biorąc pod uwagę strukturę krystaliczną kawazulite, naukowcy zajmujący się materiałami podejrzewali, że może on działać jako izolator topologiczny. Rzeczywiście, zsyntetyzowali to w laboratorium i zmierzyli jego właściwości, aby się tego dowiedzieć.

W każdym jednak przypadku przewidywana izolacja topologiczna nie zrealizowała się ze względu na wady w strukturze syntetyzowanego materiału.

Teraz Gehring i spółka stworzyli pojedyncze krystaliczne arkusze minerału, oddzielając je od naturalnie występującego kryształu. Kiedy zmierzyli właściwości tego arkusza, okazało się, że jest on przewodnikiem na powierzchni i izolatorem wewnątrz, tak jak przewidywano.

Zespół spekuluje, że naturalnie występujący kawazulite ma mniej defektów niż jego syntetyczny kuzyn, ponieważ jest tak stary: wszelkie defekty zniknęły ze struktury w ciągu milionów lat od powstania.

Teraz pytanie brzmi, czy możliwe jest wytworzenie wystarczającej liczby monokryształów z naturalnie występującego kawazulitu, aby umożliwić ich zbadanie przez fizyków pracujących nad następną generacją urządzeń spintronicznych.

Jeśli uda im się udoskonalić te urządzenia, przemysł elektroniczny może pewnego dnia polegać na naturalnie występujących izolatorach topologicznych z kopalni kwarcu w Japonii i poza nią.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1311.6637 : Naturalny izolator topologiczny

ukryć