Квантовые вычисления и спинтроника

Топологические изоляторы стали менее загадочными. Это "странные" материалы – изоляторы внутри и проводники на поверхности. Они также имеют свойства, которые делают их превосходными кандидатами для развития спинтроники (электроники, базированной на спине) и, в общем, для квантовых вычислений. Однако они также "неуловимы", так как их свойства чрезвычайно трудно наблюдать. Теперь исследование SISSA, опубликованное в журнале Physical Review Letters, предлагает новое семейство материалов, топологическое состояние которых можно непосредственно наблюдать экспериментально, тем самым упрощая задачу для исследователей.
Изучение проводилось совместно с исследователями из университетов в Инсбруке, Австрия, и в Вюрцбурге, Германия. Последний особенно важен, так как эти необыкновенные материалы были обнаружены в Вюрцбурге в 2007 г.

«В топологических изоляторах нас интересует не столько их изолирующие свойства, сколько их проводящие состояния на поверхности, - объяснил Массимо Капоне (Massimo Capone), исследователь из SISSA. - Эта функция делает их уникальными, так как никакой другой изоляционный или проводящий материал не демонстрирует такой дихотомии. К сожалению, те характеристики, которые описывают эти материалы, трудно определяемы, то есть, их очень трудно изучать». Работа Капоне с сотрудниками объясняет, как такие характеристики могут быть обнаружены в материалах с более очевидными свойствами, тем самым упрощая исследования в этой области и открывая новые возможности.

Математическое объяснение, почему некоторые материалы являются изоляторами, а другие проводниками, было одним из первых ощутимых результатов квантовой механики. Квантовомеханические модели постулируют, что в твердых телах атомы, составляющие материал, могут иметь только определенные энергетические состояния (электронные орбиты). «Разрешенные и запрещенные состояния формируют чередующиеся зоны, - пояснил Капоне. - В изоляторах некоторые зоны полностью заняты, а другие являются пустыми, в то время как в проводниках некоторые пустые места (вакансии) остаются в пределах зоны». Топологические изоляторы напоминают нормальные изоляторы, с той разницей, что энергетические состояния инвертированы.

Проводимость в этих материалах является странной также и по другой причине. В металле (проводнике) электроны под действием электрического поля обычно движутся в одном направлении, независимо от их спина, в то время как в топологических изоляторах электроны с противоположным спином движутся в противоположных направлениях. Эта особенность делает топологические изоляторы привлекательными для спинтроники. На самом деле, в электронике информация кодируется последовательностью 0 и 1, которая соответствует состояниям "включено" и "выключено", в то время как в спинтронике 0 и 1 соответствуют направления спина, которых может быть только два - "вверх" или "вниз". Топологические изоляторы могут составлять материальную основу для этого алфавита.

Особенности, отличающие топологические изоляторы от нормального металла, очень абстрактны и неуловимы. Свойства топологических изоляторов определяются математически и абстрактно, так что трудно понять, когда мы имеем дело с таким материалом. «С помощью математической модели и моделирования мы показали, что новые топологические изоляторы можно найти в материалах, демонстрирующих впечатляющие "особенности", которые легко обнаруживаются благодаря сильным электрон-электронным взаимодействиям, - сказал Адриано Амариччи (Adriano Amaricci), участник исследования. - Таким способом будет легче идентифицировать эти материалы экспериментально, чтобы затем лучше исследовать эту важную область».

Согласно Капоне, очень важно на самом деле, что ученым, который открыл эти материалы в 2007 г., был Лоренс Моленкамп (Laurens Molenkamp), который, по слухам, циркулирующим в научном сообществе, является вероятным кандидатом для будущей Нобелевской премии. Моленкамп работает в Университете Вюрцбурга, который принимал участие в данном исследовании. Вместе с коллегами в Вюрцбурге можно было бы привлечь Моленкампа к будущим исследованиям в этом научном проекте.

Ученые предлагают новое семейство материалов, топологическое состояние которых можно наблюдать экспериментально