Экзотический тип материала, апробируемый учёными, способен стать настольной лабораторией, словно увеличительное стекло показывающей и глубины вещества, и просторы космоса. Топологический изолятор способен раскрыть некоторые тайны строения Вселенной, в частности воссоздать внутри себя элементарные частицы, которые никто никогда не наблюдал.

С таким утверждением выступают физики Лоренс Моленкэмп (Laurens Molenkamp) из университета Вюрцбурга (Universität Würzburg) и Шоу-Чэн Чжан (Shou-Cheng Zhang) из Стэнфорда (Stanford University), проведшие вместе с коллегами два дополняющих друг друга исследования.

Топологическими изоляторами (topological insulator — TI) называют материалы, которые внутри являются диэлектриками, но на самой своей внешней границе отлично проводят электрический ток.

Внутри топологического изолятора спин электронов зависит от их собственного передвижения, что несвойственно обычным материалам. Странные структуры, по расчётам, можно задействовать для экспериментальной проверки ряда предсказаний квантовой теории поля.

Например, TI способен в некотором роде воссоздать гипотетический аксион — один из кандидатов на роль тёмной материи и частицу, важную для сохранения стройности принятой модели мироздания. О такой возможности говорится в статье Чжана и его соратников, вышедшей в Nature. Они утверждают, что магнитные флуктуации внутри топологического изолятора в сочетании с электромагнитными полями ведут себя в точности как аксионы, хотя и не являются ими.

Освещая образец поляризованным светом, можно уловить следы этих моделированных аксионов (они будут влиять на излучение). А затем аналогичную по виду подпись можно попробовать найти в реликтовом излучении, подтвердив тем самым ожидания теоретиков.

Однако на пути опыта встаёт необходимость в крупном куске материала, обладающего нужными свойствами. Это может быть теллурид ртути: ранее с ним уже ставились эксперименты такого рода. Но его поведения именно как топологического изолятора удавалось добиться лишь для крайне тонкой пластинки, непригодной для проверки упомянутых эффектов.

Обнадёживающая весть пришла из США: на конференции Американского физического общества (March Meeting 2010) Моленкэмп объявил – он создал достаточно толстый кусок теллурида ртути, показавший в эксперименте, что электроны на его поверхности ведут себя, как «положено» топологическому изолятору. И учёный намерен двигаться дальше — к новым опытам.

Физики говорят, что внутри TI можно создать условия, при которых возникнут магнитные монополи. Также необычный тип материалов, по оценке теоретиков, мог бы воспроизвести фермионы Майораны (Majorana fermion) — целый класс частиц, предсказанных, но до сих пор не найденных.

Учёные полагают, что такие фермионы будут удобны для квантовых вычислений. А о прояснении строения Вселенной и говорить нечего.

Мы живём в одном из видов вселенных, а внутри этих твердотельных материалов вы можете создать необычные вселенные, — образно объясняет достоинства TI Али Яздани (Ali Yazdani) из Принстона, который тоже работает над топологическими изоляторами, только на основе висмута. – И это круто.

Квантовый спиновый эффект Холла, рассеивание различных электромагнитных волн образцом, эффекты спинтроники – это всё инструменты изучения материи, применяемые буквально на лабораторном столе и задействующие крошечные чипы, а порой просто наноустройства. Однако именно на таких масштабах у физиков появляется возможность лучше понять законы, управляющие, к примеру, эволюцией галактических скоплений.

Над различными вариациями топологических изоляторов сейчас работают в нескольких университетах мира. Первый, кто совершит прорыв в этой области, откроет дорогу совершенно новой группе экспериментов, освещающих секреты материи.