В последнем выпуске журнала Nature Physics исследователи Массачусетского технологического института сообщают о новой теоретической характеристике электрических свойств топологических полуметаллов, которая точно описывает все известные топологические полуметаллы и предсказывает несколько новых.Руководствуясь своей моделью, исследователи также описывают химическую формулу и кристаллическую структуру нового топологического полуметалла, который, по их мнению, должен обладать невиданными ранее электрическими характеристиками.
«Как правило, свойства материала чувствительны ко многим внешним возмущениям», — говорит Лян Фу, доцент физики Массачусетского технологического института и старший автор новой статьи. «Что особенного в этих топологических материалах, так это то, что они обладают некоторыми очень устойчивыми свойствами, нечувствительными к этим возмущениям. Это привлекательно, потому что делает теорию очень мощной при прогнозировании материалов, что редко встречается в физике конденсированных сред. Здесь мы знаем, как дистиллировать или извлекать наиболее важные свойства, эти топологические свойства, поэтому наши методы могут быть приближенными, но наши результаты будут точными ».Полиметаллы чем-то похожи на полупроводники, которые лежат в основе всей современной электроники.
Электроны в полупроводнике могут находиться либо в «валентной зоне», в которой они прикреплены к определенным атомам, либо в «зоне проводимости», в которой они могут свободно протекать через материал в виде электрического тока. Переключение между проводящим и непроводящим состояниями — это то, что позволяет полупроводникам реализовать логику двоичных вычислений.Удар электрона из валентной зоны в зону проводимости требует энергии, а разность энергий между двумя зонами известна как «запрещенная зона». В полуметалле, таком как хорошо изученные углеродные листы, известные как графен, ширина запрещенной зоны равна нулю.
В принципе, это означает, что полуметаллические транзисторы могут переключаться быстрее при меньшей мощности, чем полупроводниковые транзисторы.Графики парковки-гаража
Термин «топологический» немного более уклончив. Топология — это раздел математики, который рассматривает геометрию на высоком уровне абстракции.
Топологически любой объект с одним отверстием — чашка кофе, пончик, садовый шланг — эквивалентен любому другому. Но никакая деформация не может превратить пончик в объект с двумя отверстиями или без них, поэтому объекты с двумя и без отверстий составляют свои собственные топологические классы.
В топологическом полуметалле «топологический» не описывает геометрию самого материала; он описывает график зависимости между энергией и импульсом электронов на поверхности материала. Физические возмущения материала могут исказить этот график в том же смысле, в котором пончик можно деформировать в садовый шланг, но электрические свойства материала останутся прежними. Именно это имеет в виду Фу, когда говорит: «Наши методы могут быть приблизительными, но наши результаты будут точными».Фу и его коллеги — первые соавторы Чен Фанг и Лин Лу, оба из которых были постдоками Массачусетского технологического института, а сейчас работают доцентами в Институте физики в Пекине; и Джунвэй Лю, постдоктор Центра обработки материалов Массачусетского технологического института, показали, что соотношение импульса и энергии электронов на поверхности топологического полуметалла можно описать с помощью математических конструкций, называемых римановыми поверхностями.
Широко используемые в области математики, известной как комплексный анализ, которая имеет дело с функциями, которые включают квадратный корень из -1, или i, римановы поверхности — это графики, которые имеют тенденцию выглядеть как плоские плоскости, скрученные в спирали.«Что делает риманову поверхность особенной, так это то, что она похожа на график парковки-гаража», — говорит Фу. «В гараже, если вы обойдете круг, вы окажетесь на один этаж выше или на один ниже.
Это именно то, что происходит с поверхностными состояниями топологических полуметаллов. Если вы двигаетесь в импульсном пространстве, вы обнаруживаете, что энергия увеличивается, вот и эта обмотка ".Исследователи показали, что определенный класс римановых поверхностей точно описывает соотношение импульса и энергии в известных топологических полуметаллах.
Но в этот класс также входили поверхности, которые соответствовали электрическим характеристикам, ранее не встречавшимся в природе.Поперечные сеченияГрафик импульс-энергия электронов на поверхности топологического полуметалла трехмерен: два измерения количества движения, одно измерение энергии.
Если вы возьмете двумерное поперечное сечение графика — эквивалентное сохранению постоянной энергии — вы получите все возможные импульсы, которые электроны могут иметь при этой энергии. График этих импульсов состоит из кривых, известных как дуги Ферми.Модель исследователей предсказывала топологические полуметаллы, в которых концы двух дуг Ферми будут соединяться под углом или пересекать друг друга так, как это раньше было невидимо. Путем сочетания интуиции и моделирования Фанг и Лю определили материал — комбинацию стронция, индия, кальция и кислорода — который, согласно их теории, должен иметь такие экзотические дуги Ферми.
Какое использование, если оно есть, может иметь эти дуги Ферми, не ясно. Но топографические полуметаллы обладают такими заманчивыми электрическими свойствами, что их стоит лучше понять.
Однако Фу признает, что в новой работе своей группы «привлекательность заключается в ее математической красоте — и в том факте, что эту математическую красоту можно найти в реальных материалах».