Они открыли новый квантовый эффект, который позволяет электронам — частицам с отрицательным зарядом, которые делают возможными современные электронные устройства, — проникать внутрь этих материалов с очень небольшим сопротивлением.Это открытие является последней главой в истории о любопытном материале, известном как «топологический изолятор», в котором электроны движутся по поверхности, не проникая внутрь. Новейшие исследования показывают, что эти электроны также могут проходить через внутреннюю часть некоторых из этих материалов.«Благодаря этому открытию вместо того, чтобы решать проблему использования только электронов на поверхности материала, теперь вы можете просто разрезать материал, и у вас есть светоподобные электроны, текущие в трех измерениях внутри материалов», — сказал М. Захид Хасан, профессор физики из Принстона, руководивший открытием.
Открытие было проведено группой ученых из США, Тайваня, Сингапура, Германии и Швеции и опубликовано в двух статьях в журнале Nature Communications. Первая статья, опубликованная 7 мая, демонстрирует, что быстрые электроны могут течь внутри кристаллов, сделанных из кадмия и мышьяка или арсенида кадмия. Вторая статья, опубликованная 12 мая, исследует быстрые электроны в материале, состоящем из элементов висмута и селена.В большинстве материалов, включая медь и другие металлы, проводящие электричество, электроны преодолевают полосу препятствий в виде микроскопических выступов, выступов и других дефектов, которые блокируют крошечные частицы и отправляют их рассеиваться в неправильном направлении.
Это вызывает сопротивление и преобразование электрического тока в тепло, поэтому электронные приборы нагреваются во время использования.В топологических изоляторах и новом классе материалов, изученных исследователями из Принстона, уникальные свойства атомов объединяются, чтобы создать квантовые эффекты, которые заставляют электроны действовать подобно световой волне, а не как отдельные частицы. Эти волны могут переплетаться и уклоняться — и даже проходить сквозь барьеры, которые обычно останавливают большинство электронов.
Эти свойства были теоретически предложены Чарльзом Кейном и командой из Пенсильванского университета с 2005 по 2007 год и впервые экспериментально наблюдались в твердых материалах группой Хасана в 2007 и 2008 годах.В 2011 году группа Хасана обнаружила этот быстрый поток электронов внутри материала, состоящего из комбинации нескольких элементов — висмута, таллия, серы и селена. Результаты опубликованы в журнале Science.
В новом исследовании арсенида кадмия электроны имеют среднюю скорость, которая в 10 000 раз больше, чем у предыдущих материалов на основе висмута, идентифицированных группой. «Это большое дело», — сказал Хасан. «Это означает, что электроны могут довольно легко течь в материале, и теперь можно изучать многие другие экзотические квантовые эффекты. В прошлом это было просто невозможно».Наиболее многообещающим применением этих материалов может быть предложенный «топологический квантовый компьютер», основанный на новой электронике, который будет использовать свойство электронов, известное как «спин», для выполнения вычислений и передачи информации.
Квантовое поведение в этом новом классе материалов привело к тому, что их назвали «топологическими полуметаллами Дирака» в отношении английского квантового физика и лауреата Нобелевской премии 1933 года Поля Дирака, который заметил, что электроны могут вести себя как свет. «Топологические» полуметаллы — это те, которые сохраняют свои пространственные электронные свойства — и свои быстрые электроны — даже при деформации определенными типами растяжения и скручивания.Скорости, достигнутые этими электронами, привели к сравнению с другим новым электронным материалом — графеном.
По словам Хасана, новый класс материалов потенциально может превзойти графен в некоторых аспектах, поскольку графен представляет собой единый слой атомов, в котором электроны могут течь только в двух измерениях. Арсенид кадмия позволяет электронам перемещаться в трех измерениях.
Новое исследование переопределяет, что значит быть топологическим материалом, по словам Су-Ян Сю, аспиранта лаборатории Хасана и соавтора статьи от 7 мая с научным сотрудником постдокторантуры Мадхабом Неупане в Принстоне и Раманом Санкаром из Национального Тайваня. Университет.«Термин топологический изолятор сейчас довольно известен, а термин« изолятор »означает, что в основной массе материала нет электронов, — сказал Сюй. «Наше исследование показывает, что электроны текут в основной массе материала, поэтому очевидно, что арсенид кадмия не изолятор, но он по-прежнему имеет топологическую природу, поэтому это совершенно новый тип квантовой материи», — сказал он.
Команда сделала открытие, используя метод, называемый фотоэмиссионной спектроскопией с угловым разрешением. Исследователи направили очень мощный рентгеновский луч — используя ускоритель частиц в Advanced Light Source в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли — на поверхность материала, а затем контролировали электроны, когда они были выбиты изнутри.
«Когда электрон выходит наружу, мы измеряем его энергию и скорость, и мы обнаружили, что электроны, выходящие из арсенида кадмия, имели измерения, аналогичные тем, которые наблюдаются у безмассовых частиц», — сказал Неупане.Во второй статье в Nature Communications Нойпан и соавторы представили модель для управления направлением спина электронных частиц в другом материале, селениде висмута.
«Принстонская группа в мельчайших деталях показала, что электроны в некоторых твердых телах подчиняются трехмерному безмассовому уравнению Дирака», — сказал Патрик Ли, профессор физики Массачусетского технологического института, не принимавший участия в работе. «Хотя это и предсказывалось теоретическими расчетами, такое поведение никогда не наблюдалось в реальных материалах до прошлого года. Эта работа значительно усиливает продолжающееся волнение по поводу того, как топология может влиять на электронные состояния в реальных материалах».