Американские ученые впервые разработали топологический изолятор – материал, поверхностный слой которого обладает способностью проводить электрический ток – и зафиксировали в нем квантовые явления. Ключевую роль в этом достижении сыграл бромид висмута, выбранный в качестве основы для создания материала.
Топологический изолятор — это материал, который действует как диэлектрик в толще, но проводит электрический ток по своей поверхности. Благодаря внутренней топологии электроны способны перемещаться исключительно по поверхности этого материала. Эта особенность дала возможность исследователям наблюдать разнообразные квантовые эффекты на топологических изоляторах.
Однако ученые из Принстонского университета (США) впервые получили возможность наблюдать их при комнатной температуре, поскольку обычно для изучения квантовых состояний необходима температура, лишь немного превышающая абсолютный ноль (минус 273,15 градуса Цельсия). Работа, результаты опубликованы в журнале Nature Materials, открывает новые возможности для разработки квантовых технологий.
В последние годы большое внимание исследователей привлекает изучение топологических состояний. Эта область знаний объединяет квантовую физику и топологию — раздел теоретической математики, занимающийся изучением непрерывности. Обнаружение новых топологических свойств актуально как для фундаментальной физики, так и для разработки квантовой инженерии и нанотехнологий.
Высокие температуры представляют собой основную трудность: при них электроны, находящиеся на поверхности топологического изолятора, проникают вглубь материала, приводя к протеканию тока через весь объем и подавляя уникальные квантовые явления. Для решения этой проблемы возможно проведение исследований при крайне низких температурах, однако это требует значительных усилий и не всегда оправдано с точки зрения практического применения.
Ученые разработали новый подход к решению этой задачи. Изоляторы, подобно полупроводникам, обладают запрещенными зонами – областями, которые недоступны для электронов. Значительная ширина запрещенной зоны в топологическом изоляторе позволяет компенсировать повышение температуры. Однако избыточная ширина запрещенной зоны может привести к нарушению спин-орбитального взаимодействия электронов – их взаимодействия с собственными магнитными моментами. В результате также разрушается топологическое квантовое состояние.
Для сохранения квантового эффекта необходимо установить равновесие между шириной запрещенной зоны и влиянием спин-орбитального взаимодействия. Ученым удалось создать топологический изолятор на основе бромида висмута, структура которого обеспечивала возможность наблюдения квантовых эффектов даже при комнатной температуре.