| +22 голоса |
|
Новые эксперименты с магнитно-легированными топологическими изоляторами на BESSY II выявили возможные пути к передаче сигнала без потерь, которые включают в себя удивительный феномен самоорганизации. В будущем, возможно, удастся разработать материалы, которые обнаруживают это явление при комнатной температуре и могут быть использованы, например, в качестве блоков обработки в квантовом компьютере.
Новые эффекты в физике твердого тела часто впервые обнаруживаются при температурах, близких к абсолютному нулю. Дальнейшие исследования могут затем определить, можно ли и как эти явления вызвать при комнатной температуре. Таким образом, сверхпроводимость первоначально наблюдалась в ртути ниже 4 градусов Кельвин более 100 лет назад. Сегодня существует много высокотемпературных сверхпроводников, которые проводят электрический ток без резистивных потерь при температурах до 138ᵒ Кельвина или даже 200ᵒ Кельвина.
Квантованный аномальный эффект Холла (QAHE) впервые наблюдался в топологическом изоляторе с магнитной добавкой ниже 50 милликельвинов в 2013 году. Подобно сверхпроводимости, этот эффект обеспечивает перенос заряда без потерь в тонких краевых каналах образцов. Между тем, было достигнуто увеличение максимальной температуры, при которой эффект может наблюдаться примерно до 1 Кельвина.
Однако, исходя из теоретических соображений, QAHE должен происходить при гораздо более высоких температурах. Поэтому является загадкой, почему этого не происходит. Один критический параметр известен как разрыв магнитной энергии образца, но никто никогда не измерял его раньше. Чем больше этот зазор, тем более устойчивым должен быть эффект воздействия температуры.
Международная команда, возглавляемая физиком из HZB проф. Оливером Рэйдером (Oliver Rader) и проф. Гюнтером Спрингхольцем (Gunther Springholz) из Университета Линца, добилась прорыва. Посредством фотоэлектронной спектроскопии с синхротронным излучением BESSY II им впервые удалось измерить запрещенную зону в таком образце. Для этого использовалось оборудование под названием ARPES1cube для достижения экстремально низких температур, а также новые возможности российско-германской лаборатории по разрешению спинов на BESSY II. Удивительно, но запрещенная зона оказалась в пять раз больше, чем теоретически прогнозировалось.
Ученые также нашли простую причину этого результата: «Теперь мы знаем, что легирование марганцем происходит не беспорядочно. Напротив, оно вызывает расслоение материала, известное как суперструктура в материале - слои, очень похожие на слоеное тесто», - объясняет проф. Спрингхольц. - При добавлении нескольких процентов марганца создаются чередующиеся блоки из семи и пяти слоев. Это приводит к тому, что марганец преимущественно содержится в семислойных элементах и, таким образом, может генерировать энергетический разрыв гораздо более эффективно».
В ретроспективе проф. Рэйдер говорит, что фантазии исследователей в использовании примесей до настоящего времени не расширились. Они использовали трехвалентные элементы, такие как хром и ванадий, которые имеют магнитные характеристики, чтобы заменить висмут в теллуриде висмута (Bi2Te3), когда атомы легирующей примеси находятся в неупорядоченном состоянии. Причина этого казалась очень убедительной: трехвалентные магнитные элементы вносят три электрона в химические связи, а их химическая валентность приводит эти элементы к сайтам висмута. С марганцем ситуация иная. Поскольку марганец является двухвалентным, он не очень хорошо подходит для висмута. По-видимому, именно поэтому система радикально перестраивается и создает новый двойной слой атомов, в который может быть двухвалентно включен марганец. «Таким образом, создается самоорганизующаяся структура, в которой марганец может создавать большой разрыв в магнитной энергии», - объясняет проф. Рэйдер.
По словам проф. Спрингхольца, если эти явления самоорганизации будут использоваться особым образом, то могут возникнуть совершенно новые конфигурации магнитных топологических материалов. В принципе, зазор, который сейчас измерен, уже настолько велик, что он должен позволить построить QAHE при комнатной температуре из соответствующих компонентов. Тем не менее, другие параметры все еще должны быть улучшены. Подобный этому магнитный топологический изолятор в сочетании с обычным сверхпроводником также может позволить реализовать квантовый процессор (qubit) для квантового компьютера.
Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365
| +22 голоса |
|
