Izolatory topologiczne - nowy stan materii

W 2016 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki przyznano trzem amerykańskim naukowcom: Duncanowi Haldane, Johnowi Kosterlitzowi i Davidowi Tulessowi za „teoretyczne odkrycia topologicznych przejść fazowych i topologicznych faz materii”. Chcemy wprowadzić Cię w tę niejasną frazę, opowiadając fascynującą historię o tym, jak badano różne aspekty przewodnictwa elektrycznego i co do tego doprowadziło.

Bursztyn zbierano od niepamiętnych czasów. Pierwsza pisemna wzmianka o tym, że bursztyn nacierany na wełnę przyciąga drobne kawałki lnu i innych substancji, należy do greckiego filozofa. Thales of Miletusokoło 600 pne Współczesne słowo i jego pochodne pochodzą od greckiej nazwy bursztynu „elektron” (ελεκτρον).

Na początku XVII wieku angielski przyrodnik William Gilbert Zauważył, że nie tylko bursztyn, ale także wiele innych substancji można „naelektryzować” przez tarcie. Sto lat później samouk Stephen Gray w Anglii, wraz ze swoim francuskim przyjacielem, pokazał, że elektryczność wytwarzana przez pocieranie szklanego pręta może być przesyłana na duże odległości przez metale i mokre nici, które obaj nazywali przewodniki prądu,. W swoich pierwszych eksperymentach ułożyli przewodniki elektryczności pionowo, ponieważ elektryczność wydawała się wtedy czymś w rodzaju cieczy, która po prostu przepływa od góry do dołu. Wreszcie Gray poprowadził elektryczność poziomo z jednej części ogrodu do drugiej za pomocą wilgotnej liny zwisającej z jedwabnych nieprzewodzących pętli.

Laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki 2016: DD Thuless, FD Haldane, J.M. Kosterlitz.

Elektron jako nośnik prądu

Obecnie ogromne ilości energii elektrycznej są przesyłane przez pasma cienkich aluminiowych drutów zawieszonych na wysokich stalowych słupach. Nośnikami tej energii są niewyobrażalnie małe cząsteczki materii - elektrony - obdarzony ujemnym ładunkiem elektrycznym, który nazywamy elementarnym, ponieważ nie można go już podzielić na mniejsze części. Te elektrony odłączyły się od atomów drutu macierzystego i mogą prawie swobodnie poruszać się wewnątrz metalu. Metal opiera się przepływowi prądu elektrycznego, ponieważ elektrony, zmuszane do ruchu w określonym kierunku, są nieustannie rozpraszane w wyniku zderzeń z defektami w prawidłowym ułożeniu atomów macierzystych, takimi jak obce zanieczyszczenia. Ale elektron nie tylko zachowuje się jak masywna cząstka materii, jak miniaturowa kula bilardowa. Mechanika kwantowa uczy, że elektron, przynajmniej jeśli go nie obserwujemy, zachowuje się jak fala i podlega falowym zjawiskom interferencji. Ponadto elektron jest wyposażony w dodatkową właściwość kwantową, tzw plecydzięki czemu zachowuje się również jak miniaturowy magnes.

Opór elektryczny to specyficzna właściwość przewodnika, zależna od rodzaju materiału, z którego jest wykonany, a także od jego długości i przekroju. Nawet w XX wieku Georg Ohm sformułował w Niemczech prawo, które określa wielkość przepływu elektronów, tj. siłę prądu elektrycznego, w zależności od napięcia przyłożonego do przewodnika i jego rezystancji. Prawo Ohma jest jednym z podstawowych praw fizyki i elektrotechniki. W uznaniu zasług Ohma jego imię uhonorowano na dwa sposoby – najpierw nazwą jednostki oporu elektrycznego, a ponad sto lat później… nazwą jednego z kraterów na Księżycu. Obecność oporności elektrycznej powoduje ogromne straty energii w sieciach elektroenergetycznych, dlatego kable elektryczne wykonuje się z miedzi lub, znacznie ekonomiczniej, z aluminium; materiały o niskiej rezystywności.

Zanika opór elektryczny.

Tymczasem w 1911 r. holenderski naukowiec Kamerling Onnes odkrył, że niektóre metale, takie jak ołów, po schłodzeniu do temperatury bliskiej zeru bezwzględnego (-273°C) całkowicie tracą opór elektryczny. Zjawisko to nazywa się nadprzewodnictwopozostawał tajemnicą przez prawie pół wieku. Stało się jasne, że nadprzewodzące elektrony muszą znajdować się w jakimś niezwykłym stanie korelacji krzyżowej, kiedy ruch jednego elektronu koreluje z ruchem innych. Tylko wtedy praktycznie niemożliwe jest rozproszenie jednego elektronu, ponieważ zmieni to ruch wszystkich pozostałych. Na przykład mechanika kwantowa przewiduje taką zbiorową spójność ogromnej liczby cząstek określonego typu. fotonykiedy wszystkie są w tym samym stanie kwantowym. Ale elektrony, ze względu na wielkość ich spinu, należą do innej kategorii cząstek zwanej fermionyktóre unikają się nawzajem i nie mogą jednocześnie znajdować się w tym samym stanie.

Dopiero w 1957 r. John Bardeen, Leon Cooper i Johna Schiffera w Stanach Zjednoczonych wyjaśnili zjawisko nadprzewodnictwa, za które otrzymali Nagrodę Nobla. Wykazali, że w sprzyjających warunkach pomiędzy parami odległych elektronów o przeciwnych spinach może pojawić się niewielka siła przyciągania, kompensująca odpychanie elektryczne, dzięki czemu taka para zachowuje się jak pojedyncza cząstka, która nie należy już do kategorii fermionów. W wystarczająco niskiej temperaturze wszystkie pary przechodzą w ten sam stan z najmniejszą energią, tworząc rodzaj spójnego kondensatu odpowiedzialnego za nadprzewodnictwo. Niestety, ze względu na konieczność zastosowania ciekłego helu do osiągnięcia temperatury krytycznej, poniżej której występuje nadprzewodnictwo, nadprzewodniki metaliczne nie znalazły znaczącego zastosowania w energetyce.

zawisające pociągi

Niespodziewanie w 1986 roku Georg Bednorz i Alex Muller z centrum badawczego IBM w Rüschlikon pod Zurychem odkrył, że niektóre materiały ceramiczne stają się nadprzewodnikami w znacznie wyższej temperaturze niż znane wcześniej nadprzewodniki. Oczekiwano, że uda się wyprodukować materiały nadprzewodnikowe w temperaturze pokojowej. Różne grupy badawcze na całym świecie zaczęły otrzymywać materiały o coraz wyższych temperaturach krytycznych. Bezstratne przenoszenie mocy, wydajniejsze nadprzewodnikowe silniki i generatory można by w zasadzie realizować już w temperaturze ciekłego azotu, który jest tanim i powszechnie dostępnym płynem.

Jednak nie było możliwe uzyskanie materiałów nadprzewodzących w temperaturze pokojowej. Jednak główną przeszkodą w powszechnym stosowaniu tych nowych nadprzewodników wysokotemperaturowych okazała się łamliwa ceramika, a przekształcenie ich w cienkie druty stosowane w elektrotechnice jest zadaniem prawie niewykonalnym. Tymczasem wynaleziono już różne urządzenia, które z powodzeniem wykorzystują nadprzewodniki wysokotemperaturowe. Premiera 31 grudnia 2000 roku w Chinach była wyjątkowym osiągnięciem. pierwszy pociąg maglev przy użyciu nadprzewodników wysokotemperaturowych. Maglev (z lewitacji magnetycznej) to pociąg, którego wagony dzięki lewitacji magnetycznej unoszą się nad specjalnymi torami, pozwalając na rozpędzenie się do 600 km/h. (Radzę obejrzeć: „Shanghai Maglev” na YouTube…).

Izolatory topologiczne

I wreszcie hit sezonu! W 2016 roku trzech amerykańskich naukowców - Duncan Haldane, John Kosterlitz i Dawid Narzędzia - zostali uhonorowani Nagrodą Nobla za prace teoretyczne wykonywane w latach 70. i 80. XX wieku. Dopiero w ostatniej dekadzie stały się przedmiotem wielkiego zainteresowania i pasji fizyków, dzięki nieoczekiwanemu odkryciu, jakiego dokonali w 2005 roku. Charles Kane i Eugeniusz Mele z Uniwersytetu Pensylwanii. Teoretycznie wykazali, że na powierzchni niektórych kryształów półprzewodnikowych może pojawić się przewodnictwo metaliczne o niezwykłych właściwościach. Materiały te nazywają się izolatory topologiczne.

Kryształ izolatora topologicznego SnTe wyhodowany w Instytucie Fizyki PAN przez dr S. Andrzeja Szczerbakowa

Sama nazwa „izolatory topologiczne” jest myląca. Przede wszystkim materiały te nie są izolatorami, ale dobrymi przewodnikami elektryczności, w których po powierzchni płynie prąd o określonych właściwościach. Po drugie, ich kształt nie ma nic wspólnego z topologią. Mówiąc o topologii, puchar i torus są zwykle przedstawiane jako topologicznie równoważne figury. Gdyby te przedmioty były wykonane z plasteliny, to można by poprzez jej ugniatanie przejść z jednej formy do drugiej bez rozdzierania lub sklejania materiału, zachowując przy tym odpowiedni otwór. Otóż ​​w przypadku izolatorów topologicznych kształt materiału nie ma znaczenia, choć początkowo rozważano jedynie bardzo cienkie warstwy materiałów, które można traktować jako obiekty dwuwymiarowe. Przymiotnik „topologiczny” odnosi się tylko do właściwości niektórych przekształceń matematycznych leżących u podstaw teorii tych materiałów.

Spin elektronu odgrywa kluczową rolę w izolatorach topologicznych, co sprawia, że ​​elektron zachowuje się jak miniaturowy magnes. Elektron krążący wokół jądra atomu wytwarza pole magnetyczne, które z kolei działa na swój własny moment magnetyczny. W podręcznikach fizyki ta interakcja nazywa się interakcja spin-orbita. Jest to ważne w wielu zjawiskach fizycznych i odgrywa wyjątkową rolę w izolatorach topologicznych. Dodajmy, że zgodnie ze szczególną teorią względności poruszający się elektron odczuwa pole magnetyczne, nawet jeśli nie obraca się wokół jądra atomu; wystarczy, że porusza się prostopadle do kierunku pola elektrycznego, na przykład na powierzchni półprzewodnika.

Nowy stan rzeczy

Prądy powierzchniowe wokół izolatora topologicznego; czarne strzałki symbolizują spin elektronu

Tak więc w kryształach niektórych związków i stopów półprzewodnikowych, takich jak np. Bi2Se3, w których obserwuje się bardzo silne oddziaływanie spin-orbita, na ich powierzchni pojawia się przewodnictwo metaliczne o niezwykłych właściwościach. Kierunek spinu elektronu jest ściśle powiązany z kierunkiem ruchu elektronu, co z kolei prowadzi do tego, że elektrony poruszające się po powierzchni i podlegające zjawisku interferencji falowej są odporne na rozpraszanie wsteczne. Jeśli taki elektron napotka defekt, będzie go delikatnie „okrążał” i dalej poruszał się w pierwotnym kierunku. Dlatego odporność na prąd niesiony przez te elektrony jest bardzo mała. To tylko jedna, choć bardzo ważna cecha tych materiałów. W rzeczywistości powierzchnia takich kryształów, która wykazuje właściwości niezwykłego metalu, jest nowy - niezwykły - stan skupienia. Jego odkrycie zapoczątkowało fascynującą dziedzinę badań, która szybko się rozwija i dziś nie wiadomo, do jakich innych odkryć i praktycznych zastosowań to doprowadzi. Teoria przewiduje w szczególności pojawienie się egzotycznych kwazicząstek w izolatorze topologicznym, m.in. hipotetyczne fermiony Majoranyktóre można wykorzystać do obliczeń w przyszłych komputerach kwantowych. Teoria przewiduje również możliwość tworzenia monopol magnetycznynatomiast każdy prawdziwy magnes jest dipolem - ma dwa bieguny magnetyczne, umownie nazywane północnym i południowym, których nie można rozdzielić. Obiecująca jest również możliwość wykorzystania tych materiałów w spintronice, obiecującej odmianie elektroniki, w której rolę ładunku elektronu zastępuje jego spin.

Tymczasem w 2011 roku amerykański fizyk Liang Fu z Massachusetts Institute of Technology teoretycznie przewidział, że mogą istnieć materiały o właściwościach izolatora topologicznego, które nie wymagają silnej interakcji spin-orbita. Jego rolę zastępuje odpowiednia symetria rozmieszczenia atomów na powierzchni kryształu. Zostały nazwane krystaliczne izolatory topologiczne. Rok później taki materiał uzyskała w Instytucie Fizyki PAN w Warszawie grupa kierowana przez prof. Tomas Storegu. Był to potrójny kryształ atomów ołowiu, cyny i selenu. W różnych laboratoriach na całym świecie rozpoczęły się intensywne poszukiwania nowych materiałów tej klasy. Do takich materiałów należy również prosty związek półprzewodnikowy SnTe, wykrystalizowany w Instytucie Fizyki PAN. W chwili gdy przesyłam ten tekst do redakcji, w jednym z najbardziej prestiżowych czasopism naukowych - "Nauka" - ukazał się wspólny artykuł naukowców z grupy prof. Storego i ich niemieccy koledzy z Uniwersytetu w Würzburgu, którzy poinformowali o odkryciu osobliwych jednowymiarowych stanów topologicznych występujących na schodkowej powierzchni otrzymanego kryształu.

Czy materia topologiczna stanie się przełomem w rozwoju nowoczesnych technologii informatycznych? To dopiero się okaże. Ogromne zainteresowanie tym tematem stymuluje dziś dynamiczny rozwój fizyki materii skondensowanej i dyscyplin pokrewnych.