Американским учёным удалось создать топологический изолятор с проводящим поверхностным слоем и наблюдать в нём квантовые явления. Для этого использовали бромид висмута как материал.
Топологический изолятор – это материал, который внутри является диэлектриком, но его поверхность проводит электрический ток. Такое поведение обусловлено внутренней структурой материала: электроны могут перемещаться только по поверхности, а не в объеме. Благодаря этому свойству ученые смогли продемонстрировать на топологических изоляторах различные квантовые явления.
Впервые исследователи из Принстонского университета (США) смогли наблюдать это при комнатной температуре. Обычно для наблюдения квантовых состояний требуется температура, лишь немного превышающая абсолютный ноль (-273,15 градусов Цельсия). Работа, результаты которой опубликованы Публикация в журнале Nature Materials откроет новые пути для создания квантовых технологий.
Исследование топологических состояний привлекает внимание многих учёных в последние годы. Эта область объединяет квантовую физику и топологию — раздел теоретической математики, изучающий непрерывность. Новые топологические свойства нужны как для фундаментальной физики, так и для разработки приложений в квантовой инженерии и нанотехнологиях.
Основная трудность — высокие температуры, при которых поверхностные электроны топологического изолятора проникают внутрь материала. В результате весь объем становится проводящим, что приводит к ослаблению или разрушению специфических квантовых эффектов. Для устранения этого ограничения можно проводить эксперименты при низких температурах, однако это затратно и не подходит для многих применений.
Ученые обнаружили новый способ преодолеть эту трудность. Изоляторы, подобно полупроводникам, обладают запрещенными зонами — барьерами, которые электроны не могут пересечь. Достаточная ширина запрещённой зоны топологического изолятора позволяет справляться с повышением температуры. Однако слишком большая запрещенная зона может нарушить взаимодействие спинов и орбит электронов — их взаимосвязь со собственными магнитными моментами. В таком случае топологическое квантовое состояние также разрушается.
Для сохранения квантового эффекта необходимо найти баланс между шириной запрещенной зоны и спин-орбитальным взаимодействием. Такой топологический изолятор ученые синтезировали из бромида висмута: структура этого материала давала возможность наблюдать квантовые явления даже при комнатной температуре.