Впервые физики наблюдали новые квантовые эффекты в топологическом изоляторе при комнатной температуре. Этот прорыв произошел, когда сотрудники Принстонского университета исследовали топологический материал на основе висмута. «Хайтек» рассказывает главное.

Ученые использовали топологические изоляторы для демонстрации квантовых эффектов более десяти лет, но в новом эксперименте их впервые наблюдали при комнатной температуре. Как правило, для индуцирования и наблюдения квантовых состояний в топологических изоляторах требуется температура около абсолютного нуля (−273 °C).

Квантовая физика и топология — вместе

В последние годы изучение топологических состояний материи привлекло внимание физиков и инженеров во всем мире. Эта область исследований объединяет квантовую физику с топологией — разделом теоретической математики, которая изучает геометрические свойства, которые можно деформировать, но не изменить по сути. Топологические свойства материи важны как с точки зрения фундаментальной физики, так и для применения в квантовой инженерии и нанотехнологиях следующего поколения.

Основа квантовой топологии

Основной компонент устройства, используемый для исследования тайн квантовой топологии — топологический изолятор. Уникальное устройство действует как изолятор внутри, а, значит, электроны внутри не могут свободно перемещаться и, следовательно, не проводят электричество.

Но электроны на краях устройства могут свободно перемещаться, а, значит, являются проводящими. Благодаря особым свойствам топологии, текущим по краям электронам не мешают какие-либо дефекты или деформации. Новое устройство может не только улучшить технологии будущего, но и дает более глубокое понимание самой материи путем исследования ее кванто-электронных свойств.

В чем проблема?

До сих пор использовать материалы и устройства для реальных приложений в функциональных устройствах было проблематично. Все из-за жестких условий квантовой топологии. Да, сейчас существует огромный интерес к топологическим материалам, и люди часто говорят об их большом потенциале для практического применения. Но до тех пор, пока какой-то макроскопический квантовый топологический эффект не будет проявляться при комнатной температуре, это все останется лишь мечтой.

Проблема в том, что окружающая среда или высокие температуры создают то, что физики называют «тепловым шумом». Простыми словами — это повышение температуры, при котором атомы начинают сильно вибрировать. Это может нарушить работу тонких квантовых систем, тем самым уничтожить само квантовое состояние.

В частности, в топологических изоляторах эти более высокие температуры создают ситуацию, при которой электроны на поверхности изолятора вторгаются внутрь изолятора. Это заставляет электроны проводить ток, что ослабляет или разрушает особый квантовый эффект.

Это можно обойти?