У американських дослідників вперше вийшло створити топологічний ізолятор (його поверхневий шар проводить електричний струм) і спостерігати в ньому квантові ефекти. Це стало можливо завдяки правильно обраному матеріалу — броміду вісмуту.
Структура топологічного ізолятора з броміду вісмуту / © Shafayat Hossain and M. Zahid Hasan of Princeton University
Топологічний ізолятор – матеріал, який в обсязі являє собою діелектрик (ізолятор), але його поверхня проводить електричний струм, тобто завдяки внутрішній топології електрони можуть переміщатися тільки по поверхні матеріалу. Це унікальна властивість дозволила вченим демонструвати на топологічних ізоляторах різні квантові ефекти.
Однак дослідники з Прінстонського університету (США) вперше змогли спостерігати їх при кімнатній температурі, тоді як зазвичай для спостереження квантових станів потрібна температура, що не сильно перевищує абсолютний нуль (мінус 273,15 градуса Цельсія). Робота, результати який опубліковані в журналі Nature Materials, відкриває нові можливості для розробки квантових технологій.
В останні роки вивчення топологічних станів знаходиться в центрі наукового інтересу багатьох дослідників. Ця область поєднує квантову фізику з топологією — розділом теоретичної математики, що вивчає явище безперервності. Нові топологічні властивості затребувані як з точки зору фундаментальної фізики, так і для пошуку застосувань у квантовій інженерії та нанотехнологіях.
Головна проблема – високі температури, при яких поверхневі електрони топологічного ізолятора вторгаються всередину: тоді весь обсяг матеріалу теж починає проводити струм, що послаблює або руйнує особливі квантові ефекти. Щоб подолати це обмеження, можна проводити експерименти при дуже низьких температурах, але це трудомістко і недоцільно для багатьох застосувань.
Зараз вчені знайшли новий спосіб обійти цю проблему. Ізолятори, як і напівпровідники, мають так звані заборонені зони — бар’єри, які електрони не можуть подолати. Достатня ширина забороненої зони топологічного ізолятора дозволяє впоратися з підвищенням температури. Але занадто велика заборонена зона може порушити спін-орбітальну взаємодію електронів – їх взаємодію з власними магнітними моментами. У цьому випадку топологічний квантовий стан також руйнується.
Тому для підтримки квантового ефекту потрібно знайти баланс між шириною забороненої зони і ефектом спін-орбітального взаємодії. Такий топологічний ізолятор вченим вдалося виготовити з броміду вісмуту: структура цього матеріалу дозволяла спостерігати квантові ефекти навіть при кімнатній температурі.