Хотя эксперимент Моленкампа и доказал правильность любопытных предсказаний теоретиков, однако сам по себе он не вызвал значительного возбуждения в научных кругах. Кристаллы теллурида ртути чрезвычайно сложны в производстве, поскольку их приходится выращивать послойно с опорой на весьма трудоемкий процесс под названием молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ). Кроме того, итоговый результат нельзя назвать чистым топологическим изолятором, потому что данные кристаллы некоторый электроток проводят и внутри себя.
Уже на следующий год опытная команда физиков-экспериментаторов Лоуренса Моленкампа (Laurens Molenkamp) в Университете Вюрцбурга, Германия, сумела вырастить тонкий слой кристалла теллурида ртути и на опыте продемонстрировать правоту теоретиков. Вдоль края материала проводимость действительно прыгает от одного квантового значения к другому.
Еще одна группа теоретиков под руководством Шушень Чжана в Стэнфордском университете, Калифорния, тем временем занялась исследованиями практического аспекта: какого рода реальные материалы могли бы оказаться топологическими изоляторами. В большинстве материалов, как обнаружила эта команда, связь между электронами и ядром была слишком слаба, чтобы воспроизводить поведение ТИ. Однако по мере того как ядро атома становится тяжелее, становится сильнее и нужная связь. В 2006 году Чжан представил расчеты, предсказывающие, что один конкретный материал кристалл из тяжелых элементов ртути и теллура действительно смог бы продемонстрировать нужный трюк.
От команды Мура тогда же пошло и новое название для гипотетического материала. Поначалу, с подачи Кейна, этот феномен именовали довольно витиевато «новыми топологическими инвариантами Z2» (обозначая этим особые квантово-механические свойства, которые заставляют электроны прыгать вдоль края). Мур рассказывает о рождении термина так: «В какой-то момент нас просто стало утомлять печатать все эти слова, вот мы и дали свое название «топологический изолятор»... Я не знаю, насколько этот термин выглядит более разъясняющим хоть что-то, но по крайней мере он покороче».
Новаторская работа Кейна и его коллег была замечена в сообществе ученых практически сразу. Вскоре Джоэлу Муру (Joel Moore) и его группе в Калифорнийском университете Беркли, двигаясь от работы Кейна, удалось показать, что и трехмерные образцы материала способны также демонстрировать аналогичные квантовые эффекты. Хотя здесь согласованное движение электронов проводимости вдоль поверхности 3D-материала оказывалось более сложным, нежели в случае плоского 2D-листа, проанализированного Кейном.
Скоординированные в своем поведении электроны почти всегда жестко ограничены в движениях внутри материала они согласованно вращаются по сути на одном месте, по орбитам вокруг своих ядер. Самое любопытное, однако, происходит с теми электронами, что находятся на самом краю пленки здесь они вынуждены перескакивать вдоль этой границы материала от одного атома к другому. Итоговым же результатом становится то, что тончайшие образцы материала-изолятора проводят электричество по самому своему краю и только по этому краю. Причем изменение проводимости здесь происходит лишь строго дискретными квантовыми шагами, подобно тому, что наблюдается в квантовом эффекте Холла...
Для условий графена, однако, коллективное поведение электронов выглядело не совсем так же, как при квантовом эффекте Холла. Но самое главное, с опорой на более ранние результаты Данкэна Холдейна группе Кейна удалось показать, что помимо графена могут существовать и другие тонкопленочные материалы с подобным поведением. Причем для них уже не требовалось ни огромное внешнее магнитное поле, ни сверхнизкие температуры. Из расчетов получалось, что такого рода материалы могли бы порождать согласованное поведение электронов благодаря магнитному полю от ядер своих собственных атомов и не исключено, что даже при комнатной температуре.
В 2004 году, занимаясь обсчетом свойств графена (тончайшего, в один атом толщиной, листа из атомов углерода), Кейн и его группа обнаружили феномен, весьма напоминающий по своим чертам известный с 1980-х годов квантовый эффект Холла. Суть его в том, что при весьма особых условиях очень низких температурах и сильном воздействии внешних магнитных полей электроны в тонкопленочных материалах от обычных хаотических движений переходят в режим коллективного упорядоченного движения, происходящего по законам квантовой механики.
Ситуация изменилась благодаря графену другому удивительному материалу, необычные квантовые свойства которого были теоретически описаны еще в середине XX века, однако реально получить его для экспериментальных исследований удалось лишь к началу XXI столетия. Среди массы ученых, энергично занявшихся всесторонним изучением этого новомодного материала, был и Чарльз Кейн, физик-теоретик Пенсильванского университета в Филадельфии.
В науке имеется, конечно, не так мало сюжетов и с противоположным порядком событий вроде создания атомной бомбы. Однако история с открытием феномена под названием топологический изолятор все равно стоит совершенно особняком. Уже по той хотя бы причине, что в течение очень долгого времени у физиков вообще не было никаких причин предполагать, что такого рода странные материалы могут существовать в природе.
По давно сложившейся в науке традиции обычный порядок вещей в открытиях таков, что сначала у экспериментаторов в опытах и наблюдениях обнаруживается нечто новое, а уже затем теоретики дают этому объяснение. Если могут, конечно. Классический пример такого порядка явление сверхпроводимости. Впервые данный эффект был обнаружен еще в 1911 году, однако теоретикам понадобилось затем почти полвека, чтобы прийти к более или менее удовлетворительному объяснению феномена. Однако даже это в целом утвердившееся объяснение оказывается неприменимым к некоторым известным типам сверхпроводящих материалов (физика высокотемпературной сверхпроводимости, в частности, остается неясной по сию пору).
История происхождения
Почему в характеристики состояния электронов привлекают раздел геометрии, именуемый топология, пояснить удобнее чуть позже. Здесь же важно подчеркнуть, что топологические свойства этого материала могут устойчиво сохраняться вплоть до высоких температур, а это означает богатый потенциал ТИ для применения в самых разнообразных практических приложениях микроэлектроники и компьютерной техники от очень быстрых, экономичных межсоединений, процессоров, памяти и вплоть до топологических квантовых компьютеров.
Для наглядности можно представлять себе топологический изолятор (ТИ) чем-то вроде куска дерева, покрытого сверху медью, только в данном случае речь идет не о двух веществах, а об образце одного и того же материала. Причем материала такого, в котором особое квантовое состояние электронов в поверхностном слое делает их не просто переносчиками тока, но «топологически защищенными» переносчиками. Иначе говоря, данные квантовые состояния электронов чрезвычайно стабильны в отличие от обычных состояний частиц на поверхности, здесь они не могут быть разрушены загрязнениями, неоднородностями или другими несовершенствами материала.
Чтобы в общих чертах дать представление о необычности топологических изоляторов, достаточно перечислить их отличительные особенности. Как можно понять уже из названия, материалы такого типа принято относить к изоляторам или, иначе, диэлектрикам либо полупроводникам, не пропускающим, вообще говоря, через себя электрический ток. Но за одним очень важным исключением в своем тончайшем поверхностном слое этот материал проводит ток, как металл (и даже лучше).
Все нынешние лауреаты Данкэн Холдейн, Чарльз Кейн и Шушень Чжан (Duncan Haldane, Charles Kane, Shoucheng Zhang) независимо друг от друга работают в разных университетах США над развитием квантовой теории конденсированного состояния вещества. А медали Дирака они удостоены как исследователи, существенно продвинувшие наше понимание весьма необычного типа материала, для которого теперь уже общепринятым стало название «топологический изолятор».
Три медали, врученные 8 августа 2012 года (в 110-ю годовщину со дня рождения одного из главных основоположников квантовой физики П.А.М. Дирака), особо примечательны вот по какой причине. В науке очень нечасто случается так, чтобы сугубо теоретически открытый физиками новый материал был почти сразу же подтвержден экспериментально и, более того, быстро нашел множество чрезвычайно перспективных применений в технологиях электроники и других практических приложениях.
Анонс: Совсем еще молодое, но уже очень горячее направление исследований в физике «топологические изоляторы» открывает новые захватывающие перспективы для развития электронных технологий. Попутно раскрывается и кое-что неожиданное о тайнах устройства Вселенной...Летом каждого года, строго в один и тот же день 8 августа в мировом сообществе физиков происходит очередное вручение престижной «цеховой» премии медали Дирака. Эта награда была учреждена в середине 1980-х годов Международным институтом теоретической физики в Триесте, Италия, и присуждается ученым-лауреатам на основе двух принципов: их теоретический вклад в развитие физической науки должен быть выдающимся; лауреаты не должны иметь других знаменитых наград, таких как Нобелевская премия, медаль Филдса или премия Вольфа. К счастью для медалистов, медаль Дирака никак не препятствует получению вышеперечисленных наград в дальнейшем.
Технологии будущего: топологический изолятор
Технологии будущего: топологический изолятор - Digital Daily Digest
Комментариев нет:
Отправить комментарий