Материалы получили название «топологические изоляторы.«В отличие от обычных материалов, которые являются либо изоляторами, либо проводниками, топологические изоляторы в некотором смысле являются одновременно и тем, и другим — они являются изоляторами внутри, но всегда проводят электричество через поверхность. В частности, исследователи сообщили о наиболее яркой демонстрации таких, казалось бы, парадоксальных проводящих свойств и наблюдали «полуцелый квантовый эффект Холла» на поверхности топологического изолятора.
«Это недвусмысленное свидетельство, подтверждающее теоретические предсказания о проводимости электронов в этих материалах», — сказал докторант Университета Пердью Ян Сюй, ведущий автор статьи, опубликованной на этой неделе в журнале Nature Physics.
Йонг П. Чен, доцент кафедры физики и астрономии, электротехники и вычислительной техники Purdue, возглавлял группу исследователей из Purdue, Принстонского университета и Техасского университета в Остине в изучении материала на основе висмута.
«Эта экспериментальная система обеспечивает отличную платформу для изучения множества экзотических физических и новых приложений устройств, предсказанных для топологических изоляторов», — сказал Чен.
Например, путем дальнейшего объединения топологических изоляторов со сверхпроводником, который проводит электричество без сопротивления, исследователи могут построить практический квантовый компьютер.
Такая технология будет выполнять вычисления с использованием законов квантовой механики, что делает компьютеры намного быстрее, чем обычные компьютеры, при выполнении определенных задач, таких как поиск в базе данных и взлом кода.
«Одна из основных проблем с прототипами квантовых компьютеров, разработанных на данный момент, заключается в том, что они подвержены ошибкам», — сказал Чен. "Но если топологически защищен, есть механизм, который фундаментально подавляет эти ошибки, что приводит к надежному способу выполнения квантовых вычислений."
Топологические изоляторы были синтезированы в Purdue и преобразованы в электрические устройства в Центре нанотехнологий Бирка в парке открытий университета.
Исследователи впервые продемонстрировали трехмерный материал с электрическим сопротивлением, не зависящим от толщины материала, что отличается от обычного поведения. В то время как электроны обычно имеют массу, в случае топологических изоляторов проводящие электроны на поверхности не имеют массы и автоматически «поляризованы по спину», что приводит к наблюдаемому уникальному полуцелому квантовому эффекту Холла, а также делает материал перспективным для различных потенциалов.
Приложения.
Топологические изоляторы могут принести в будущем вычислительные платформы на основе спинтроники.«Обычные компьютеры используют наличие и отсутствие электрических зарядов для представления единиц и нулей в двоичном коде, необходимом для выполнения вычислений. Однако спинтроника использует «спиновое состояние» электронов для представления единиц и нулей.
«Соединения на основе висмута, сурьмы, теллурида и селенида являются самыми чистыми и наиболее собственными топологическими изоляторами, продемонстрированными до сих пор, без измеримого количества нежелательной проводимости внутри объема, которая часто портит свойства топологической проводимости в более ранних топологических изоляционных материалах», — сказал Чен.
Исследователи также обнаружили доказательства, подтверждающие, что проводимость электронов «топологически защищена», что означает, что ее поверхность гарантированно является надежным проводником. Изучая образцы в форме тонких пластин, вырезанных из этого материала до постоянно уменьшающейся толщины, при этом наблюдая за проводимостью, исследователи обнаружили, что проводимость, которая возникает всегда и только на поверхности, практически не изменяется.
«Для самых тонких образцов такие топологические свойства проводимости наблюдались даже при комнатной температуре, открывая путь для практического применения», — сказал Сюй.
Автор статьи — Сюй; Ученый-исследователь Purdue Иренеуш Миотковски, создавший высококачественные материалы; Научный сотрудник Принстона Чанг Лю; Научный сотрудник Purdue Джифа Тиан; Аспирант UT Остина Хёндо Нам; Аспирант Принстона Насер Алидуст; Аспирант Purdue Цзюнин Ху; Чих-Кан Ши, Джейн и профессор Роланда Блумбергов в Университете штата Калифорния в Остине; M. Захид Хасан, профессор физики из Принстона; и Чен.
Помимо роста материала и электрических измерений, выполненных исследователями Purdue, группы из Принстона и Университета штата Остин внесли свой вклад в это исследование, выполнив расширенные характеристики, которые дополнительно подтвердили важные свойства материала как топологического изолятора.
Исследование финансировалось Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США, которое поддерживает программу Purdue с участием Принстона и других учреждений, направленную на разработку энергоэффективных электронных устройств на основе топологических изоляторов. Электрические измерения, показывающие характерный полуцелый квантовый эффект Холла, были выполнены в Национальной лаборатории сильного магнитного поля Национального научного фонда. Вклад UT Остина в это исследование был поддержан Фондом Уэлча и UT.S.
Управление армейских исследований.