Топологические изоляторы
Физики из Столичного физтех института и Института теоретической физики имени Л.Д. Ландау РАН сделали еще один шаг на встречу к применению топологических изоляторов – материалов с неповторимыми электрическими особенностями, каковые еще сравнительно не так давно считались только гипотетическими объектами.
Исследователям удалось узнать, как в аналогичных материалах устроено сотрудничество между атомами магнитных примесей. О работе сообщается в пресс-релизе МФТИ.
Зависимость энергии частиц в топологическом изоляторе от величины их импульса.
Яркие линии соответствуют квантовым состояниям в количестве материала,
а красные и светло синий — на поверхности
© МФТИ
Топологические изоляторы – это открытие физики XXI века. Они были предсказаны теоретически в 2005 году, а в первый раз синтезированы в 2008 (антимонид висмута).
В они ведут себя как полупроводники, а на поверхности (у границы) их свойства похожи на особенности металла – к примеру, по поверхности аналогичного материала вольно протекает электрический ток. на данный момент данный новый класс материалов деятельно изучают в мире, включая МФТИ.
Ожидается, что их необыкновенные особенности будут пользуются спросом при создании электронных схем с минимальными утратами на тепло, квантовых компьютеров и других перспективных устройств.
Но чтобы создавать нужные устройства на базе топологических изоляторов, нужно осознавать, как на их особенности воздействуют разные несовершенства их структуры: в частности, присутствие атомов с ненулевым магнитным моментом. Отметим, что магнитный момент характеризует величину магнитного поля, которое может создавать атом.
То, как такие атомы (к примеру, атомы железа либо марганца) взаимодействуют между собой, в далеком прошлом исследовалось в различных материалах. В металлах их сотрудничество носит название сотрудничества Рудермана – Киттеля – Касуи – Йосиды (Ruderman – Kittel – Kasuya – Yosida) в честь теоретиков, каковые его в первый раз изучили еще в середине 1950-х годов.
В полупроводниках сотрудничество магнитных атомов именуется «косвенным обменным сотрудничеством», и его в первый раз теоретически изучили Бломберген и Роуланд (Bloembergen, Rowland) в 1955 году. Солидный вклад в изучение косвенного обменного сотрудничества внес кроме этого А.А.
Абрикосов – советско-американский физик, нобелевский лауреат, занимавшийся фундаментальными вопросами физики жёсткого тела. Знание косвенного обменного сотрудничества — энергии связи между магнитными атомами, ее зависимости от расстояния между ними и температуры — разрешает предвещать то, как будут упорядочиваться магнитные моменты этих атомов при низких температурах в данном веществе.
В новой статье, опубликованной изданием Physical Review B, исследователи разглядели сотрудничество атомов с ненулевым магнитным моментом в том случае, в то время, когда они расположены неподалеку от границы двумерного топологического изолятора. Игорь Бурмистров (сотрудник ИТФ им.
Л.Д. Ландау РАН и лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих совокупностях МФТИ) совместно со студентами 5 курса кафедры теоретической физики факультета неспециализированной и прикладной физики МФТИ Владиславом и Павлом Куриловичами изучали косвенное обменное сотрудничество между атомами марганца в двумерном топологическом изоляторе на базе квантовой ямы CdTe/HgTe/CdTe.
Фраза «на базе квантовой ямы» свидетельствует, что между пленок теллурида кадмия (CdTe), имеется узкая полоса из теллурида ртути (HgTe). Квантовые характеристики этих веществ различные, исходя из этого электроны в полосы из теллурида ртути не смогут вольно перейти за ее пределы, они как бы находятся на дне «ямы-ловушки», преодолеть «стены» которой возможно только при наличии определенной энергии.
По словам Игоря Бурмистрова, специфика задачи «пребывала в том, что, в зависимости от размещения магнитных атомов, в топологическом изоляторе они взаимодействуют как в металле (в случае если оба магнитных атома находятся у границы) либо как в полупроводнике (в случае если оба магнитных атома находятся далеко от границы)».
Исследователь кроме этого поведал, в чем состоит специфика двумерного топологического изолятора: «В двумерных топологических изоляторах перемещение квазичастиц происходит в плоскости, что связано с громадной величиной энергии размерного квантования в квантовой яме». Квантованием именуют эффект, при котором какая-либо совокупность может иметь энергию лишь с определенными значениями, а размерное квантование — это то, что отмечается при ограничении размеров совокупности.
В весьма узких слоях либо полосах вещества частицы ведут себя в противном случае, чем в «хороших» примерах наподобие куска бронзового провода либо полупроводникового кристалла.
Главным результатом теоретического анализа стало предсказание нового типа косвенного обменного сотрудничества между магнитными атомами в двумерном топологическом изоляторе. С одной стороны, оно напоминает подобное сотрудничество в металлах, а с другой – обычную для полупроводников картину.
Такое необыкновенное сочетание есть определяющим для сотрудничества пар магнитных атомов, один из которых находится вблизи границы, а второй – далеко от нее. Не обращая внимания на то, что прямого использования на практике полученные теоретические результаты не имеют, они серьёзны для предстоящего изучения влияния магнитных атомов на распространение электрического тока на протяжении границы двумерного топологического изолятора.
Источник: polit.ru
Лекция 14 часть 1 Topological insulators
