Структура топологического изолятора из бромида висмута/ © Shafayat Hossain and M. Zahid Hasan of Princeton University

У американских исследователей впервые получилось создать топологический изолятор (его поверхностный слой проводит электрический ток) и наблюдать в нем квантовые эффекты. Это стало возможно благодаря правильно выбранному материалу — бромиду висмута.
Топологический изолятор — материал, который в объеме представляет собой диэлектрик (изолятор), но его поверхность проводит электрический ток, то есть благодаря внутренней топологии электроны могут перемещаться только по поверхности материала. Это уникальное свойство позволило ученым демонстрировать на топологических изоляторах различные квантовые эффекты.

Однако исследователи из Принстонского университета (США) впервые смогли наблюдать их при комнатной температуре, тогда как обычно для наблюдения квантовых состояний требуется температура, не сильно превышающая абсолютный ноль (минус 273,15 градуса Цельсия). Работа, результаты который опубликованы в журнале Nature Materials, открывает новые возможности для разработки квантовых технологий.

В последние годы изучение топологических состояний находится в центре научного интереса множества исследователей. Эта область объединяет квантовую физику с топологией — разделом теоретической математики, изучающим явление непрерывности. Новые топологические свойства востребованы как с точки зрения фундаментальной физики, так и для поиска приложений в квантовой инженерии и нанотехнологиях.

Главная проблема — высокие температуры, при которых поверхностные электроны топологического изолятора вторгаются внутрь: тогда весь объем материала тоже начинает проводить ток, что ослабляет или разрушает особые квантовые эффекты. Чтобы преодолеть это ограничение, можно проводить эксперименты при очень низких температурах, но это трудоемко и нецелесообразно для многих приложений.

Теперь ученые нашли новый способ обойти эту проблему. Изоляторы, как и полупроводники, имеют так называемые запрещенные зоны — барьеры, которые электроны не могут преодолеть. Достаточная ширина запрещенной зоны топологического изолятора позволяет справиться с повышением температуры. Но слишком большая запрещенная зона может нарушить спин-орбитальное взаимодействие электронов — их взаимодействие с собственными магнитными моментами. В этом случае топологическое квантовое состояние также разрушается.

Поэтому для поддержания квантового эффекта нужно найти баланс между шириной запрещенной зоны и эффектом спин-орбитального взаимодействия. Такой топологический изолятор ученым удалось изготовить из бромида висмута: структура этого материала позволяла наблюдать квантовые эффекты даже при комнатной температуре.

источник