Ученые из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики внесли первые расчеты и выступили соавторами статьи «Картирование орбитальной волновой функции состояний поверхности в трехмерных топологических изоляторах», которая публикуется в текущем выпуске журнала Nature Physics. Топологический изолятор — это материал, который внутри себя ведет себя как изолятор, но поверхность которого содержит проводящие состояния.В статье исследователи объясняют, как материалы действуют по-разному выше и ниже точки Дирака и как орбитальная и спиновая текстуры состояний топологического изолятора переключаются точно в точке Дирака.
Точка Дирака относится к месту, где две конические формы — одна представляет энергию, а другая импульс — соединяются в одной точке. В случае топологических изоляторов орбитальная и спиновая текстуры субатомных частиц переключаются точно в точке Дирака. Это явление возникает из-за связи между электронами и их дырками в полупроводнике.
Это исследование является ключевым шагом к пониманию топологических изоляторов, таких как селенид висмута (Bi2Se3), теллурид висмута (Bi2Te3), теллурид сурьмы (Sb2Te3) и теллурид ртути (HgTe), которые могут потенциально стать строительными блоками квантового компьютера. , машина, способная загружать информацию из центра обработки данных в пространство портативного компьютера и обрабатывать данные намного быстрее, чем лучшие современные суперкомпьютеры.«Энергоэффективность должна быть намного лучше», — сказал ученый NREL Цзюнь-Вэй Луо, один из соавторов. По его словам, вместо того, чтобы ограничиваться включением и выключением двоичного кода, квантовый компьютер будет действовать больше как человеческий мозг, видя что-то, но представляя гораздо больше. «Это совершенно другая технология».
По словам Луо, топологические изоляторы в настоящее время представляют большой интерес из-за их возможности использовать свои экзотические свойства для передачи информации о электронных спинах практически без затрат электроэнергии. Сювен Чжан из NREL — еще один соавтор, а также ученые из Университета Колорадо, Университета Рутгерса, Брукхейвенской национальной лаборатории, Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Горной школы Колорадо. Ло и Чжан работают в Центре обратного проектирования NREL, одном из 46 исследовательских центров Energy Frontier, созданных по всей стране Научным отделом Министерства энергетики в 2009 году для ускорения фундаментальных исследований в области энергетики.
Обнаружение переключателя орбитальной текстуры в точке Дирака подразумевает новую текстуру обратного вращения — правую, а не левую, сокращенно физиков — происходит из связи текстуры спина с текстурой орбиты для сохраняющейся величины. — полный угловой момент волновой функции, а не спин. Новые результаты, частично подтвержденные наблюдениями, проведенными в усовершенствованном источнике света в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, были удивительными и укрепили потенциал топологических изоляторов.«В этой статье мы вычислили и измерили профиль топологических состояний и обнаружили, что орбитальная текстура топологических состояний переключается с тангенциальной на радиальную через точку Дирака», — сказал Чжан. Что не менее удивительно, они обнаружили, что это явление не является функцией уникального материала, а является общим для всех топологических изоляторов.
Топологические изоляторы, вероятно, не подходят для солнечных элементов, потому что на поверхности они не содержат запрещенной зоны. Запрещенная зона — промежуток между тем, когда материал находится в проводящем состоянии, и инертным состоянием — необходим солнечным элементам для освобождения фотонов и превращения их в электроны, несущие энергию.Но топологические изоляторы могут быть очень полезны для других видов электроники-спинтроники.
Электроны топологических изоляторов будут самополяризоваться на противоположных краях устройства. «Обычно мы направляем электрон в определенном направлении, чтобы пространственно разделить электроны со вращением вверх и вниз, но это экзотическое свойство предполагает, что электронам как группе не нужно двигаться», — сказал Луо. «Первоначальная идея состоит в том, что нам не нужен ток для поляризации электронных спинов. Возможно, мы сможем разработать спиновый квантовый компьютер и спиновые квантовые вычисления».Теоретически весь центр обработки данных может работать практически без электричества. «Вероятно, это больше в теории, чем в реальности», — сказал Луо, отметив, что другим компонентам центра, вероятно, все еще понадобится электричество. «Но это было бы намного более энергоэффективным». И резкое падение электричества также будет означать резкое падение количества кулеров и вентиляторов, необходимых для охлаждения.
Луо предупредил, что это все еще фундаментальная наука. Результаты могут иметь ограниченное применение к возобновляемой энергии, но Луо отметил, что еще одна из ключевых задач NREL — энергоэффективность.