Топологиялык изоляторлор - заттын жаңы абалы

2016-жылы физика боюнча Нобель сыйлыгы үч америкалык окумуштууга ыйгарылган: Дункан Халдейн, Джон Костерлиц жана Дэвид Тулесс "материянын топологиялык фазалык өтүшүнүн жана топологиялык фазаларынын теориялык ачылыштары" үчүн. Электр өткөрүмдүүлүктүн ар кандай аспектилери кандайча изилденгени жана ага эмне себеп болгондугу тууралуу кызыктуу окуяны айтып берүү менен сиздерди бул бүдөмүк фразаны тааныштыргыбыз келет.

Эл эзелтен бери янтарь чогултуп келишет. Жунге сүртүлгөн янтарь зыгыр буласынан жана башка заттардын майда бөлүктөрүн өзүнө тартып турганы жөнүндө биринчи жазуу жүзүндөгү сөз грек философуна таандык. Милет калдыгы, болжол менен 600 BC Азыркы сөз жана анын туундулары янтарь "электрон" (ελεκτρον) деген грек аталышынан келип чыккан.

XNUMX-кылымдын башында англиялык натуралист Уильям Гилберт Ал янтарь гана эмес, башка көптөгөн заттар да сүрүлүү аркылуу «электрлештирилиши» мүмкүн экенин байкаган. Жүз жылдан кийин өзүн өзү үйрөткөн Стивен Грей Англияда француз досу менен бирге айнек таякчаны сүртүүдө өндүрүлгөн электр энергиясын металлдар жана нымдуу жиптер аркылуу узак аралыкка өткөрө аларын көрсөткөн. электр тогун өткөргүчтөр. Алгачкы эксперименттеринде алар электр өткөргүчтөрүн вертикалдуу жайгаштырышкан, анткени анда электр энергиясы жөн эле жогорудан ылдыйга аккан суюктук сыяктуу көрүнгөн. Акыры, Грей электр тогун горизонталдуу түрдө бакчасынын бир бөлүгүнөн экинчисине жибек өткөргүч эмес илмектерге илинген нымдуу орогуч жип менен өткөрдү.

2016-жылы физика боюнча Нобель сыйлыгынын лауреаттары: D. D. Tuless, F. D. Haldane, J. M. Kosterlitz.

Электрон токтун алып жүрүүчүсү катары

Бүгүнкү күндө чоң көлөмдөгү электр энергиясы бийик темир мамыларга илинген жука алюминий зымдары аркылуу өткөрүлөт. Бул энергияны алып жүрүүчүлөр заттын ойго келбеген кичинекей бөлүкчөлөрү - электрондор - терс электр заряды менен жабдылган, аны биз элементардык деп атайбыз, анткени аны мындан ары майда бөлүктөргө бөлүүгө болбойт. Бул электрондор зымдын атомдорунан ажырап, металлдын ичинде дээрлик эркин кыймылдашат. Металл электр тогунун агымына туруштук берет, анткени бир багытта кыймылга аргасыз болгон электрондор ата-эне атомдорунун туура тизилишиндеги кемчиликтер менен кагылышуулардын натыйжасында дайыма чачырап турат, мисалы, чет өлкөлүк аралашмалар. Бирок электрон өзүн кичинекей бильярд топу сыяктуу заттын чоң бөлүкчөсүндөй эле алып жүрбөйт. Кванттык механика электрон, жок эле дегенде, байкалбаган учурда, өзүн толкун сыяктуу алып барат жана толкун сымал интерференция кубулуштарына дуушар болот деп үйрөтөт. Мындан тышкары, электрон деп аталган кошумча кванттык касиетке ээ арткамуну менен ал өзүн миниатюралык магниттей кылат.

Электр каршылык – өткөргүчтүн спецификалык касиети, ал жасалган заттын түрүнө, ошондой эле узундугуна жана кесилишине жараша болот. Ал тургай, XNUMX кылымда Георг Ом ал Германияда электрондордун агымынын чоңдугун, башкача айтканда өткөргүчкө берилген чыңалууга жана анын каршылыгына жараша электр тогунун күчүн аныктоочу мыйзамды түзгөн. Ом мыйзамы физиканын жана электротехниканын негизги мыйзамдарынын бири болуп саналат. Омдун эмгегин баалап, анын ысмы эки жагынан — адегенде электрдик каршылыктын бирдигинин аты менен, ал эми бир кылымдан ашык убакыттан кийин... Айдагы кратерлердин биринин аты менен сыйланган. Электрдик каршылыктын болушу электр тармактарында энергиянын чоң жоготууларына алып келет, ошондуктан электр кабелдери жезден же алда канча экономикалык жактан алюминийден жасалган; аз каршылык менен материалдар.

Электр каршылык жоголот.

Ошол эле учурда 1911-жылы голландиялык окумуштуу Камерлинг Оннес ал коргошун сыяктуу кээ бир металлдарды абсолюттук нөлгө жакын температурага чейин муздатканда (-273°С) электрдик каршылыгын толугу менен жогото турганын аныктаган. Бул көрүнүш деп аталат өтө өткөргүчтүкдээрлик жарым кылым бою сыр бойдон калды. Бир электрондун кыймылы башкалардын кыймылы менен корреляцияланганда, өтө өткөргүч электрондор кайчылаш-корреляциянын кандайдыр бир адаттан тыш абалында болушу керек экени айкын болду. Ошондо гана бир электронду чачыратуу иш жүзүндө мүмкүн эмес, анткени бул бардык башкалардын кыймылын өзгөртөт. Кванттык механика, мисалы, белгилүү бир типтеги бөлүкчөлөрдүн эбегейсиз көп сандагы мындай жамааттык когеренттүүлүгүн болжолдойт. фотондоралардын бардыгы бирдей кванттык абалда болгондо. Бирок электрондор спининин чоңдугунан улам аталган бөлүкчөлөрдүн башка категориясына кирет фермиондорбири-биринен качкан жана бир эле учурда бир абалда боло албайт.

1957-жылы гана Джон Бардин, Леон Купер i Джон Шифер Америка Кошмо Штаттарында алар Нобель сыйлыгына татыктуу болгон супер өткөргүчтүк феноменин түшүндүрүштү. Алар жагымдуу шарттарда электрдик түртүүнү компенсациялоочу, карама-каршы спиндери бар алыскы электрондордун жуптарынын ортосунда анча чоң эмес тартылуу күчү пайда болоорун, анын аркасында мындай жуп өзүн фермиондор категориясына кирбей калган жалгыз бөлүкчөдөй алып жүрөрүн көрсөтүштү. Жетиштүү төмөн температурада бардык буулар эң аз энергия менен бирдей абалга өтүп, өтө өткөргүчтүк үчүн жооптуу когеренттүү конденсатты пайда кылат. Тилекке каршы, суюк гелийди колдонуу зарылчылыгына байланыштуу, ылдыйда өтө өткөргүчтүк пайда болгон критикалык температурага жетүү үчүн металлдык супер өткөргүчтөр энергетика тармагында олуттуу колдонууну таба алышкан жок.

учуп бараткан поезддер

Күтүлбөгөн жерден 1986-ж Георг Беднортц i Алекс Мюллер Цюрихтин жанындагы Рушликондогу IBM изилдөө борборунан кээ бир керамика мурда белгилүү болгон супер өткөргүчтөрдөн бир топ жогору температурада өтө өткөргүч болуп калаарын аныкташкан. Бул бөлмө температурасында өтө өткөргүч материалдарды өндүрүү үмүт болгон. Дүйнө жүзү боюнча ар кандай изилдөө топтору дагы жогорку критикалык температурадагы материалдарды ала башташты. Энергияны коромжусуз өткөрүү, эффективдүү супер өткөргүч кыймылдаткычтар жана генераторлор, негизинен, арзан жана кеңири жеткиликтүү суюктук болуп саналган суюк азоттун температурасында ишке ашырылышы мүмкүн.

Бирок, бөлмө температурасында өтө өткөргүч материалдарды алуу мүмкүн болгон эмес. Бирок бул жаңы жогорку температурадагы супер өткөргүчтөрдү кеңири жайылтуудагы негизги тоскоолдук морт керамика болуп чыкты жана аларды электротехникада колдонулган жука зымдарга айландыруу дээрлик мүмкүн эмес иш. Ошол эле учурда, жогорку температурадагы супер өткөргүчтөрдү ийгиликтүү колдонгон ар кандай түзүлүштөр ойлоп табылган. 31-жылдын 2000-декабрында Кытайда учурулганы эң сонун жетишкендик болгон. биринчи маглев поезди жогорку температурадагы супер өткөргүчтөрдү колдонуу. Маглев (магниттик левитациядан) – бул поезд, анын вагондору магниттик левитациянын аркасында атайын рельстердин үстүнөн сүзүп, ылдамдыгы 600 км/саатка чейин жетет. (Сизге көрүүнү сунуштайм: YouTube'да "Shanghai Maglev" ...).

Топологиялык изоляторлор

Акыры, сезондун хити! 2016-жылы үч америкалык окумуштуу - Дункан Халдейн, Джон Костерлиц i David Tools - 70-80-жылдары аткарылган теориялык иштери үчүн Нобель сыйлыгына татыган. Акыркы он жылдыкта гана алар 2005-жылы жасаган күтүүсүз ачылышынын аркасында физиктердин чоң кызыгуусу жана кумарлануу темасына айланды. Чарльз Кейн i Евгений Меле Пенсильвания университетинен. Кээ бир жарым өткөргүч кристаллдардын бетинде адаттан тыш касиеттери бар металл өткөргүчтүгү пайда болоорун теориялык жактан көрсөтүштү. Бул материалдар деп аталат топологиялык изоляторлор.

С.Анджей Щербаков тарабынан ПАНнын физика институтунда өстүрүлгөн SnTe топологиялык изоляторунун кристалы

"Топологиялык изоляторлор" деген аталыштын өзү жаңылыштык. Биринчиден, бул материалдар изоляторлор эмес, электр тогун жакшы өткөрүүчү болуп саналат, мында алардын бети боюнча белгилүү бир касиетке ээ ток өтөт. Экинчиден, алардын формасы топологияга эч кандай тиешеси жок. Топология жөнүндө айтканда, чөйчөк жана торус, адатта, топологиялык эквиваленттүү фигуралар катары сүрөттөлөт. Эгерде бул буюмдар пластилинден жасалган болсо, анда аны жуурулса, тиешелүү тешикти сактап, материалды тытып же чаптабастан бир формадан экинчи формага өтүүгө мүмкүн болмок. Ооба, топологиялык изоляторлордо материалдын формасы эч кандай мааниге ээ эмес, бирок алгач эки өлчөмдүү объект катары кароого боло турган өтө жука катмарлар гана каралып келген. "Топологиялык" сын атооч бул материалдардын теориясынын негизин түзгөн кээ бир математикалык өзгөртүүлөрүнүн касиеттерин гана билдирет.

Электрондук спин топологиялык изоляторлордо негизги ролду ойнойт, бул электрондун өзүн миниатюралык магниттей алып жүрүүсүн шарттайт. Атомдун ядросунун айланасында айланган электрон магнит талаасын пайда кылат, ал өз кезегинде өзүнүн магниттик моментине таасир этет. Физика окуу китептеринде бул өз ара аракеттенүү деп аталат спин-орбиталык өз ара аракеттешүү. Бул көптөгөн физикалык кубулуштарда маанилүү жана топологиялык изоляторлордо өзгөчө роль ойнойт. Биз кошумчалайбыз, атайын салыштырмалуулук теориясы боюнча, кыймылдагы электрон атомдун ядросунун айланасында айланбаса да магнит талаасын сезет; ал электр талаасынын багытына перпендикуляр кыймылдашы жетиштүү, мисалы, жарым өткөргүчтүн бетинде.

Заттын жаңы абалы

Топологиялык изолятордун айланасындагы жер үстүндөгү токтар; кара жебелер электрондун айлануусун билдирет

Ошентип, кээ бир жарым өткөргүч кошулмалардын жана эритмелердин, мисалы, Bi2Se3 сыяктуу өтө күчтүү спин-орбиталык өз ара аракеттешүү байкалган кристаллдарында алардын бетинде адаттан тыш касиеттерге ээ металл өткөргүчтүк пайда болот. Электрондун спининин багыты электрондун кыймылынын багыты менен тыгыз байланышта, ал өз кезегинде бетти бойлоп кыймылдаган жана толкундук интерференция кубулушуна дуушар болгон электрондордун артка чачыралууга туруктуу болушуна алып келет. Эгер мындай электрон кемчиликке жолукса, аны акырын «айланып» жана баштапкы багытында кыймылын улантат. Демек, бул электрондор алып жүргөн токко каршылык абдан аз. Бул материалдардын абдан маанилүү өзгөчөлүгү болсо да, бул бир гана. Чындыгында, адаттан тыш металлдын касиеттерин көрсөткөн мындай кристаллдардын бети болуп саналат жаңы - адаттан тыш - заттын абалы. Анын ачылышы тездик менен өнүгүп келе жаткан изилдөөлөрдүн кызыктуу тармагынын башталышы болгон жана бүгүнкү күндө дагы кандай ачылыштарга жана практикалык колдонууга алып келери белгисиз. Теория, атап айтканда, топологиялык изолятордо экзотикалык квазибөлүкчөлөрдүн пайда болушун болжолдойт, анын ичинде. гипотетикалык майорана фермиондорукелечектеги кванттык компьютерлерде эсептөөлөр үчүн колдонулушу мүмкүн. Теория ошондой эле түзүү мүмкүнчүлүгүн болжолдойт магниттик монополияал эми ар бир чыныгы магнит диполь болуп саналат - анын эки магниттик уюлдары бар, алар шарттуу түрдө түндүк жана түштүк деп аталат, аларды ажыратууга болбойт. Электрондук заряддын ролу анын спинине алмашылган электрониканын перспективдүү түрү болгон спинтроникада бул материалдарды колдонуу мүмкүнчүлүгү да келечектүү.

Ошол эле учурда, 2011-жылы америкалык физик Liang Fu Массачусетс технологиялык институтунан теориялык жактан спин-орбитанын күчтүү өз ара аракеттенүүсүн талап кылбаган топологиялык изолятордун касиетине ээ болгон материалдар болушу мүмкүн деп болжолдогон. Анын ролу кристаллдын бетинде атомдордун жайгашуусунун тиешелүү симметриясы менен алмаштырылат. Алар аталды кристаллдык топологиялык изоляторлор. Бир жылдан кийин мындай материал Польшанын илимдер академиясынын Варшавадагы физика институтунда жетектеген топ тарабынан алынган. проф. Томаш Сторигу. Бул коргошун, калай жана селен атомдорунун үч кристалл болгон. Дүйнө жүзүндөгү ар түрдүү лабораторияларда бул класстын жаңы материалдарын интенсивдүү издөө башталды. Мындай материалдарга Польшанын илимдер Академиясынын физика институтунда кристаллдаштырылган SnTe жөнөкөй жарым өткөргүч кошулмасы да кирет. Мен бул текстти редакторго жөнөтүп жатып, эң абройлуу илимий журналдардын биринде – “Наукада” проф. Сторого жана алардын Вюрцбург университетиндеги немис кесиптештери, пайда болгон кристаллдын тепкичтүү бетинде пайда болгон өзгөчө бир өлчөмдүү топологиялык абалдарды табышкандыгын билдиришти.

Топологиялык материя заманбап маалыматтык технологияларды өнүктүрүүдө ачылыш болуп калабы? Бул дагы көрүнө элек. Бүгүнкү күндө бул темага болгон зор кызыгуу конденсацияланган зат физикасынын жана ага байланыштуу дисциплиналардын динамикалык өнүгүшүнө түрткү берет.