Insuladairean topological - staid ùr de chùis

Ann an 2016, chaidh an Duais Nobel ann am Fiosaigs a thoirt do thriùir luchd-saidheans Ameireaganach: Donnchadh Haldane, John Kosterlitz agus Dàibhidh Tuless airson “lorgaidhean teòiridheach air eadar-ghluasadan ìre topological agus ìrean topological de chuspair.” Tha sinn airson an abairt neo-shoilleir seo a thoirt a-steach le bhith ag innse sgeulachd inntinneach dhut mu mar a chaidh diofar thaobhan de ghiùlan dealain a sgrùdadh agus dè a dh’ adhbhraich e.

Tha daoine air a bhith a’ cruinneachadh òmar bho chionn fhada. Tha a 'chiad iomradh sgrìobhte air gu bheil òmar, air a shuathadh air clòimh, a' tàladh pìosan beaga de anart agus stuthan eile, a bhuineas don fheallsanaiche Grèigeach. Thales of Miletus, timcheall air 600 RC Tha am facal ùr-nodha agus na toraidhean aige a’ tighinn bhon ainm Grèigeach airson òmar “electron” (ελεκτρον).

Aig toiseach an t-XNUMXmh linn, bha an eòlaiche nàdair Sasannach Uilleam Gillebrìde Mhothaich e nach e a-mhàin òmar, ach cuideachd gum faod mòran stuthan eile a bhith “air an dealanachadh” le suathadh. Ceud bliadhna an dèidh sin fèin-theagasg Stephen Gray ann an Sasainn, còmhla ri a charaid Frangach, sheall e gum faodadh an dealan a chaidh a dhèanamh le bhith a’ suathadh slat glainne a bhith air a chuir thairis air astaran fada tro mheatailtean agus snàithleanan fliuch, ris an canadh iad le chèile stiùirichean dealain. Anns a 'chiad deuchainnean aca, chuir iad air dòigh na stiùirichean dealain gu dìreach, oir bha coltas gu robh dealan an uairsin rudeigin mar leaghan a tha dìreach a' sruthadh bho mhullach gu bonn. Mu dheireadh, ruith Gray dealan gu còmhnard bho aon phàirt den ghàrradh aige gu fear eile le bhith a’ cleachdadh ròpa còmhdaich tais crochte bho lùban sìoda neo-ghiùlain.

Buannaichean an Duais Nobel ann am Fiosaigs 2016: D.D. Tuless, F.D. Haldane, J.M. Kosterlitz.

Electron mar neach-giùlain sruth

An-diugh, tha mòran dealain air a ghluasad tro shreathan de uèirichean tana alùmanum crochte bho phòlaichean stàilinn àrd. Tha luchd-giùlan an lùth seo gu h-iongantach nam mìrean beaga de chùis - dealanan - le cosgais dealain àicheil, ris an can sinn bunasach, oir chan urrainnear a roinn ann am pàirtean nas lugha tuilleadh. Tha na dealanan sin air dealachadh bho na dadaman uèir aoigheachd aca agus cha mhòr nach eil iad saor gluasad timcheall taobh a-staigh a’ mheatailt. Bidh am meatailt a’ seasamh an aghaidh sruthadh sruth dealain, leis gu bheil na dealanan, air an èigneachadh gluasad ann an stiùireadh, an-còmhnaidh air an sgapadh mar thoradh air tubaistean le uireasbhaidhean ann an rèiteachadh ceart nan dadaman phàrant, leithid neo-chunbhalachd cèin. Ach chan eil an dealan dìreach ga ghiùlan fhèin mar phìos mòr de stuth, mar ball beag billiard. Tha meacanaig Quantum a’ teagasg gu bheil an dealanan, co-dhiù nuair nach eilear ga fhaicinn, ga ghiùlan fhèin mar thonn agus gu bheil e fo smachd iongantasan eadar-theachd coltach ri tonn. A bharrachd air an sin, tha seilbh quantum a bharrachd aig an dealan ris an canar aisleis am bi e cuideachd ga ghiùlan fhèin mar magnet beag.

Tha strì dealain na sheilbh sònraichte de stiùiriche, a rèir an seòrsa stuth bhon deach a dhèanamh, a bharrachd air a fhad agus a chrois-earrann. Fiù 's anns an XNUMXmh linn Seòras Ohm chruthaich e anns a’ Ghearmailt lagh a bhios a’ dearbhadh meud an t-sruth de eleactronan, i.e., neart an t-sruth dealain, a rèir an bholtaids a chuirear air an stiùiriche agus an aghaidh. Lagh Ohm Is e seo aon de na laghan bunaiteach ann am fiosaig agus innleadaireachd dealain. Mar chomharra air airidheachd Ohm, chaidh urram a thoirt dha ainm ann an dà dhòigh - an toiseach leis an ainm aonad an aghaidh dealain, agus còrr is ceud bliadhna an dèidh sin ... leis an ainm aon de na sgàinidhean air a 'ghealach. Tha làthaireachd an aghaidh dealain ag adhbhrachadh call mòr de lùth ann an lìonraidhean cumhachd, agus mar sin bidh càbaill dealain air an dèanamh le copar no, gu ìre nas eaconamaiche, de alùmanum; stuthan le ìosal resistivity.

Bidh strì an dealain a’ dol à sealladh.

Aig an aon àm, ann an 1911, an neach-saidheans Duitseach Kamerling Onnes fhuair e a-mach gu bheil cuid de mheatailtean, leithid luaidhe, nuair a thèid am fuarachadh gu teòthachd faisg air neoni iomlan (-273 ° C), a’ call an aghaidh dealain gu tur. Canar an iongantas seo superconductivityfhathast na dhìomhaireachd airson faisg air leth-cheud bliadhna. Dh'fhàs e soilleir gum feum dealanan superconducting a bhith ann an staid neo-àbhaisteach de chrois-cheangal, nuair a tha gluasad aon dealanan co-cheangailte ri gluasad chàich. Is ann dìreach an uairsin a tha e cha mhòr do-dhèanta aon dealan a sgapadh, oir atharraichidh seo gluasad a h-uile càil eile. Tha meacanaig Quantum a’ ro-innse a leithid de cho-leanailteachd de ghrunn ghràineanan de sheòrsa sònraichte, mar eisimpleir. photonsnuair a tha iad uile san aon staid chuantamach. Ach buinidh dealanan, air sgàth meud an snìomh, do roinn eile de mhìrean ris an canar fermaina tha a’ seachnadh a chèile agus nach urrainn a bhith san aon staid aig an aon àm.

A-mhàin ann an 1957 Iain Bàrd, Leon Cooper i Iain Schiffer anns na Stàitean Aonaichte mhìnich an t-iongantas de superconductivity, airson an deach an Duais Nobel a bhuileachadh orra. Sheall iad, fo chumhachan fàbharach, gum faod feachd beag tarraingeach nochdadh eadar paidhrichean de eleactronan fad às le spins mu choinneamh, a’ dèanamh dìoladh airson ath-bhualadh dealain, air sgàth ‘s gu bheil an leithid de chàraid a’ giùlan mar aon phìos nach buin don roinn de fermions tuilleadh. Aig teòthachd ìosal gu leòr, bidh a h-uile bhalbhaichean a 'dol a-steach don aon stàit leis an lùth as ìsle, a' cruthachadh seòrsa de cho-chòrdadh ciallach le uallach airson superconductivity. Gu mì-fhortanach, mar thoradh air an fheum air helium liùlach a chleachdadh gus an teòthachd riatanach a ruighinn gu h-ìosal far a bheil superconductivity a ’tachairt, cha do lorg superconductors meatailteach feum mòr anns an roinn lùtha.

a’ dol thairis air trèanaichean

Gun dùil ann an 1986 Seòras Bednorz i Ailig Muller bho ionad rannsachaidh IBM aig Rüschlikon, faisg air Zurich, lorg gu bheil cuid de stuthan ceirmeag a’ fàs superconductive aig teòthachd mòran nas àirde na superconductors aithnichte roimhe seo. Bhathar an dòchas stuthan superconducting a dhèanamh aig teòthachd an t-seòmair. Thòisich diofar bhuidhnean rannsachaidh air feadh an t-saoghail a’ faighinn stuthan le teodhachd èiginneach nas àirde. Dh’ fhaodadh tar-chuir cumhachd gun chall, motaran superconducting agus gineadairean nas èifeachdaiche a bhith air an toirt gu buil, ann am prionnsapal, mar-thà aig teòthachd nitrogen leaghaidh, a tha na leaghan saor agus ri fhaighinn gu farsaing.

Ach, cha robh e comasach stuthan superconducting fhaighinn aig teòthachd an t-seòmair. Ach tha am prìomh chnap-starra a thaobh cleachdadh farsaing de na superconductors àrd-teòthachd ùra sin air tionndadh a-mach gu bhith nan ceirmeag bhrainn, agus tha e cha mhòr do-dhèanta a bhith gan tionndadh gu uèirichean tana ann an innleadaireachd dealain. Aig an aon àm, chaidh diofar innealan a chruthachadh mar-thà a bhios a 'cleachdadh superconductors àrd-teodhachd gu soirbheachail. Bha an cur air bhog air 31 Dùbhlachd 2000 ann an Sìona na choileanadh air leth. A ' chiad trèan Maglev cleachdadh superconductors aig teòthachd àrd. Is e trèana a th’ ann am Maglev (bho levitation magnetach) aig a bheil na càraichean, le taing do levitation magnetach, a ’dol thairis air slighean sònraichte, a’ ceadachadh astaran suas ri 600 km / h. (Tha mi a 'toirt comhairle dhut a bhith a' coimhead: "Shanghai Maglev" air YouTube ...).

Insuladairean topological

Agus mu dheireadh, buille an t-seusain! Ann an 2016, triùir luchd-saidheans Ameireaganach - Donnchadh Haldane, Iain Kosterlitz i Innealan Dhaibhidh - fhuair iad an Duais Nobel airson obair teòiridheach a chaidh a dhèanamh anns na 70an is 80an. Is ann dìreach anns na deich bliadhna a dh’ fhalbh a tha iad air fàs gu bhith nan cuspair anns a bheil ùidh mhòr agus dìoghras aig fiosaigs, le taing dha lorg ris nach robh dùil a rinn iad ann an 2005. Teàrlach Kane i Eugene Mele bho Oilthigh Pennsylvania. Sheall iad gu teòiridheach gum faod giùlan meatailteach le feartan neo-àbhaisteach nochdadh air uachdar cuid de chriostalan semiconductor. Canar na stuthan sin insuladairean topological.

Criostal insulator topological SnTe air fhàs aig Institiud Fiosaigs an PAN leis an Dr. S. Andrzej Shcherbakov

Tha an dearbh ainm "topological insulators" meallta. An toiseach, chan e insuladairean a th ’anns na stuthan sin, ach deagh stiùirean dealain, anns a bheil sruth le feartan sònraichte a’ sruthadh air an uachdar aca. San dàrna h-àite, chan eil dad aig an cumadh aca ri topology. A’ bruidhinn air topology, tha an cupa agus an torus mar as trice air an sealltainn mar fhigearan a tha co-ionann ri topological. Nam biodh na stuthan sin air an dèanamh le plasticine, bhiodh e comasach, le bhith ga ghlùinean, gluasad bho aon chruth gu cruth eile gun a bhith a ’reubadh no a’ glaodhadh an stuth, fhad ‘s a chumas tu an toll co-fhreagarrach. Uill, a thaobh insuladairean topological, chan eil cumadh an stuth gu diofar, ged an toiseach cha deach beachdachadh ach air sreathan tana de stuthan, a dh ’fhaodadh a bhith air an làimhseachadh mar nithean dà-thaobhach. Tha am buadhair “topological” a’ toirt iomradh a-mhàin air feartan cuid de na h-atharrachaidhean matamataigeach a tha mar bhunait air teòiridh nan stuthan sin.

Tha prìomh àite aig snìomh dealanach ann an insuladairean topological, a bheir air an dealan a bhith gad ghiùlan fhèin mar magnet beag. Bidh dealan a tha a 'tionndadh timcheall niuclas atom a' cruthachadh raon magnetach, a bhios, an uair sin, ag obair air a 'mhionaid magnetach aige fhèin. Ann an leabhraichean teacsa fiosaig, canar an eadar-obrachadh seo eadar-obrachadh spin-orbit. Tha seo cudromach ann an iomadh iongantas fiosaigeach agus tha àite sònraichte aige ann an insuladairean topological. Tha sinn a’ cur ris, a rèir teòiridh sònraichte co-sheòrsachd, gu bheil dealanach gluasadach a’ faireachdainn raon magnetach eadhon nuair nach eil e a’ cuairteachadh timcheall niuclas dadam; Tha e gu leòr gu bheil e a 'gluasad ceart-cheàrnach ri stiùireadh an achadh dealain, mar eisimpleir, air uachdar semiconductor.

Staid ùr de chùis

Sruth uachdar timcheall air inneal-fuadain topological; saighdean dubha a 'samhlachadh snìomh dealanach

Mar sin, ann an criostalan cuid de choimeasgaidhean semiconductor agus aloidhean, leithid, mar eisimpleir, Bi2Se3, anns a bheilear a’ cumail sùil air eadar-obrachadh spin-orbit gu math làidir, tha giùlan meatailteach le feartan neo-àbhaisteach a’ nochdadh air an uachdar aca. Tha dlùth cheangal aig stiùir snìomh an dealanach ri stiùireadh gluasad an dealanan, a tha, an uair sin, a’ leantainn gu bheil dealanan a tha a’ gluasad air an uachdar agus le ùmhlachd do iongantas eadar-theachd nan tonn a’ seasamh an aghaidh cùl-sgapte. Ma choinnicheas an leithid de dhealanach ri uireasbhaidh, coisichidh e gu socair “timcheall” e agus leanaidh e air a’ gluasad anns an t-slighe thùsail aige. Mar sin, tha an aghaidh an t-sruth a tha air a ghiùlan leis na dealanan sin glè bheag. Chan eil seo ach aon, ged a tha e na fheart fìor chudromach de na stuthan sin. Gu dearbh, tha uachdar criostalan mar sin, a tha a 'taisbeanadh feartan meatailt neo-àbhaisteach ùr - annasach - staid chùis. Bha an lorg aige a’ comharrachadh toiseach raon rannsachaidh inntinneach a tha a’ leasachadh gu luath, agus an-diugh chan eil fios dè na lorgaidhean agus na cleachdaidhean practaigeach eile a thig às. Tha an teòiridh a’ ro-innse, gu sònraichte, coltas quasiparticles annasach ann an inneal-dìon topological, a’ gabhail a-steach. fermions Majorana beachd-bharaila ghabhas cleachdadh airson àireamhachadh ann an coimpiutairean cuantamach san àm ri teachd. Tha an teòiridh cuideachd a 'ro-innse comasachd cruthachadh monopoly magnetachfhad ‘s a tha a h-uile fìor magnet na dipole - tha dà phòla magnetach aige, ris an canar gu gnàthach tuath is deas, nach gabh a sgaradh. Tha comas ann na stuthan sin a chleachdadh ann an spintronics, cruth gealltanach de electronics, far a bheil àite a’ chosgais dealanach air a chuir an àite a shnìomh, cuideachd gealltanach.

Aig an aon àm, ann an 2011, eòlaiche fiosaig Ameireaganach Liang Fu bho Institiud Teicneòlais Massachusetts gu teòiridheach an dùil gum faodadh stuthan a bhith ann aig a bheil feartan inneal-dìon topological nach eil feumach air eadar-obrachadh làidir spin-orbit. Tha an co-chothromachd co-fhreagarrach de rèiteachadh dadaman air uachdar na criostal an àite a dhreuchd. Chaidh an ainmeachadh insuladairean topological criostalach. Bliadhna às deidh sin, chaidh an leithid de stuth fhaighinn aig Institiud Fiosaigs Acadamaidh Saidheans na Pòlainn ann an Warsaw le buidheann air a stiùireadh le An t-Oll. Tomasz Storegu. B’ e criostal trì-fhillte a bh’ ann de atoman luaidhe, staoin agus selenium. Tha sgrùdadh dian airson stuthan ùra den chlas seo air tòiseachadh ann an grunn deuchainn-lannan air feadh an t-saoghail. Tha stuthan mar seo cuideachd a ’toirt a-steach todhar semiconductor sìmplidh SnTe, air a chriostalachadh aig Institiud Fiosaigs Acadamaidh Saidheansan na Pòlainn. Fhad ‘s a tha mi a’ cur an teacsa seo chun neach-deasachaidh, ann an aon de na h-irisean saidheansail as cliùitiche - “Nauka” - chaidh co-artaigil fhoillseachadh le luchd-saidheans bhon bhuidheann prof. Storego agus an co-obraichean Gearmailteach aig Oilthigh Würzburg, a thug cunntas air lorg stàitean topological aon-thaobhach sònraichte a’ nochdadh air uachdar ceumach na criostal a thàinig às.

Am bi cuspair topological gu bhith na adhartas ann an leasachadh teicneòlasan fiosrachaidh an latha an-diugh? Tha seo ri fhaicinn fhathast. An-diugh, tha leasachadh fiùghantach fiosaig stuth dùmhail agus cuspairean co-cheangailte a’ brosnachadh ùidh mhòr anns a’ chuspair seo.