В отличие от обычных материалов, которые являются либо изоляторами, либо проводниками, топологические изоляторы, как ни парадоксально, одновременно являются изоляторами внутри, но проводят электричество по поверхности, — сказал Йонг П. Чен, доцент кафедры физики, астрономии и электричества Университета Пердью. компьютерная инженерия, который работал с докторантом Луисом А. Хореги и другими исследователями.Эти материалы могут быть использованы для создания «спинтронных» устройств и практических квантовых компьютеров, намного более мощных, чем современные технологии. В новых открытиях исследователи использовали магнитное поле, чтобы вызвать так называемую «спиральную моду» электронов, способность, которая может позволить управлять спиновым состоянием электронов.Результаты подробно описаны в исследовательской статье, появившейся 18 января в онлайн-публикации журнала Nature Nanotechnology и показавшей, что магнитное поле может быть использовано для того, чтобы заставить наноленты претерпеть «топологический переход», переключаясь между материалом, обладающим запрещенная зона на поверхности, а другая — нет.
«Кремний — это полупроводник, то есть у него есть запрещенная зона, свойство, необходимое для включения и выключения проводимости, основа для цифровых транзисторов на основе кремния для хранения и обработки информации в двоичном коде», — сказал Чен. «Медь — это металл, то есть у нее нет запрещенной зоны и она всегда является хорошим проводником. В обоих случаях наличие или отсутствие запрещенной зоны является фиксированным свойством. у него есть запрещенная зона или нет, просто путем приложения магнитного поля, так что это своего рода перестраиваемый, и этот переход является периодическим в магнитном поле, так что вы можете управлять им через множество «щелевых» и «бесщелевых» состояний ».Наноленты изготовлены из теллурида висмута, материала, лежащего в основе технологий твердотельного охлаждения, таких как коммерческие термоэлектрические холодильники.
«Теллурид висмута был рабочей лошадкой для термоэлектрического охлаждения на протяжении десятилетий, но только в последние несколько лет люди обнаружили, что этот материал и родственные ему материалы обладают удивительным дополнительным свойством быть топологическими изоляторами», — сказал он.Автор статьи — Jauregui; Майкл Т. Петтес, бывший научный сотрудник Техасского университета в Остине, а теперь доцент кафедры машиностроения Университета Коннектикута; Леонид П. Рохинсон, профессор физики и астрономии, электротехники и компьютерной инженерии Purdue; Ли Ши, профессор Б.Ф.
Гудрича в области материаловедения Техасского университета в Остине; и ЧенКлючевым открытием стало то, что исследователи задокументировали использование нанолент для измерения так называемых осцилляций Ааронова-Бома, которые возможны при проведении электронов в противоположных направлениях по кольцевым путям вокруг нанолент.
Структура наноленты — нанопроволоки, которая топологически такая же, как цилиндр — является ключом к открытию, поскольку она позволяет изучать электроны, движущиеся по кругу вокруг ленты. Электроны проводят только по поверхности нанопроволок, отслеживая цилиндрическую циркуляцию.
"Если вы позволите электронам перемещаться по кольцу двумя путями, левым и правым, и они встретятся на другом конце кольца, они будут мешать конструктивно или деструктивно в зависимости от разности фаз, создаваемой магнитным полем, что приведет к либо высокая, либо низкая проводимость соответственно, что свидетельствует о квантовой природе электронов, ведущих себя как волны », — сказал Хореги.Исследователи продемонстрировали новую вариацию этого колебания на поверхностях топологического изолятора, вызвав спин-спиральную моду электронов. Результат — возможность перехода от конструктивного вмешательства к деструктивному и обратно.«Это дает очень убедительные доказательства того, что мы измеряем спиральные электроны со спином», — сказал Хореги. «Мы измеряем эти топологические поверхностные состояния.
До недавнего времени этот эффект не наблюдался очень убедительно, так что теперь этот эксперимент действительно дает четкое свидетельство того, что мы говорим об этих спиральных электронах, распространяющихся по цилиндру, так что это один из аспектов это колебание ".Результаты также показали, что это колебание является функцией «напряжения затвора», что представляет собой еще один способ переключения проводимости с высокого на низкий.«Переключение происходит всякий раз, когда окружность наноленты содержит только целое число квантово-механической длины волны или« фермиевской длины волны », которая регулируется напряжением затвора электронов, охватывающих поверхность», — сказал Чен.
Это был первый случай, когда исследователи наблюдали такой тип колебаний, зависящих от затвора, в нанолентах и в дальнейшем коррелировали его с зонной структурой топологического изолятора теллурида висмута.Утверждается, что наноленты обладают «топологической защитой», предотвращая обратное рассеяние электронов на поверхности и обеспечивая высокую проводимость, качество, недоступное для металлов и обычных полупроводников. Они были сфабрикованы исследователями из UT Austin.Измерения проводились, пока наноленты были охлаждены примерно до минус 273 градусов по Цельсию (почти до минус 460 градусов по Фаренгейту).
«Мы должны работать при низких температурах, чтобы наблюдать квантово-механическую природу электронов», — сказал Чен.Будущие исследования будут включать работу по дальнейшему изучению нанопроволок как платформы для изучения экзотической физики, необходимой для топологических квантовых вычислений. Исследователи будут стремиться соединить нанопроволоки со сверхпроводниками, которые проводят электричество без сопротивления, для создания гибридных устройств топологический изолятор-сверхпроводник.
Путем дальнейшего комбинирования топологических изоляторов со сверхпроводником исследователи могут создать практический квантовый компьютер, который будет менее восприимчив к загрязнениям и возмущениям окружающей среды, которые до сих пор представляли проблемы. 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.