Veijo Hänninen
Topologisia löytöjä
Yksi nykyfysiikan kuumimmista tutkimuskentistä on topologisten eristeiden, suprajohteiden ja metallien tutkiminen. Ne ovat materiaaleja, joiden sähköiset ominaisuudet ovat läheisessä suhteessa topologisiin ilmiöihin.
Kiinteän aineen kidemuodon järjestäytyneessä rakenteessa jokaisella atomilla tai molekyylillä on tarkka paikka. Kollektiivisuudella voidaan selittää esimerkiksi magneettien suuri magnetismi.
Symmetria ja topologia
Kiteen symmetrinen rakenne voi esiintyä myös kaksiulotteisessa rakenteessa. Jo 1970-luvun alussa venäläinen fyysikko Vadim Berezinskij osoitti, että kaksiulotteisessa rakenteessa on mahdollista löytää symmetrian lisäksi myös topologista järjestystä. Samaan aikaan äskettäin Nobelilla palkitut brittitutkijat Haldane, Thouless ja Kosterlitz keksivät toisaalla saman asian.
Lisää topologisia olomuodonmuutoksia kuvattiin 1980-luvulla. Yksi näistä oli kvantti-Hall-ilmiö, josta Klaus von Klitzing sai Nobelin palkinnon 1985.
Suuressa magneettikentässä kaksiulotteinen johtava elektronijärjestelmä käyttäytyy epätavallisesti. Sen poikittaisvastus eli virran ja sen kanssa kohtisuoran jännitteen suhde kvantittuu eli saa vain tiettyjä, kokonaisluvulla kuvattavissa olevia arvoja eikä mitään siltä väliltä. Se käyttäytyy kuin Möbiuksen rengas, jolla voi olla vain kokonaisluvun verran kierteitä.
Vuonna 1982 David Thouless osoitti yhdessä kolmen muun fyysikon kanssa, että kvantti-Hall-tilaa voidaan kuvata erityisen kokonaislukuarvoisen topologisen suureen avulla. Lukumäärä on aina kokonaislukuarvoinen ja se voi muuttua vain yksi kerrallaan.
Pinnalta ja sisältä
Tunnetuin muoto topologisia aineita on eriste, jossa pinta johtaa sähköä mutta sisus ei. Tällaisen kolmiulotteisen topologisen eristeen pintatilat ovat kaksiulotteista elektronikaasua, jossa elektronin spin on lukittunut lineaariseen liikemääräänsä.
Yleensä topologiset ilmiöt ovat havaittavissa vain materiaalien pintatiloja tutkimalla.
Mutta tämän vuoden helmikuussa Osakan yliopiston vetämä japanilaisten tutkijoiden ryhmä kertoi onnistuneensa tekemään suoria havaintoja topologisista faasien siirtymistä, jotka ovat piilotettuina materiaaleissa.
Pehmeillä röntgensäteillä aikaan saatu tutkimustulos mahdollistaa topologian määrittämisen materiaalien sisältä ilman materiaalien pinnan arviointia. Tekniikan soveltamisen odotetaan johtavan monimuotoisempien topologisten elektronisten faasien löytämiseen.
Monenlaisia sovelluksia
Topologisen eristeen lupaavimpia sovelluksia ovat spintroniset laitteet ja häviöttömät transistorit kvanttikoneille, jotka perustuvat kvantti-spin Hall -vaikutukseen ja kvanttipoikkeavaan Hall-efektiin. Lisäksi topologiset eristemateriaalit ovat myös löytäneet käytännön sovelluksia kehittyneissä magnetoelektronisissa ja optoelektronisissa laitteissa
Topologiset materiaalit kiinnostavat tietokonesuunnittelijoita koska sähkövirta kulkee niissä tuottamatta lämpöä. Se tarkoittaa, että niistä voisi valmistaa komponentteja, joilla vähentää runsasta lämmöntuotantoa, joka vaivaa nykyaikaisia tietokoneita.
Niitä hyödynnettäneen jonain päivänä myös kvanttitietokoneissa. Kun topologiset eristeet johtavat sähköä, kaikilla elektroneilla jotka virtaavat yhteen suuntaan, on sama spin, joka on hyödyllinen ominaisuus kvanttitietokoneissa.
Ne erityiset ominaisuudet, jotka tekevät topologisista eristeet kiinnostaviksi tekniikalle ovat yleensä havaittavissa vain hyvin alhaisessa lämpötilassa.
Topologia korjaa piirivikoja
City University of New Yorkin tutkijat kehittivät topologian avulla elektronisia piirirakenteita, jotka sietävät vioittumista.
He sovelsivat kolmen brittiläisen Nobel-tutkijan työtä siitä, että materiaalin ominaisuuksista (kuten sähkönjohtavuus) voidaan säilyttää tietyissä materiaaleissa huolimatta jatkuvista muutoksista aineen muodoissa tai tiloissa.
Tutkijat käyttivät epälineaarisia resonaattoreita elektroniikkapiirin muokkaamiseksi siten, että signaalin voimakkuuden muutos voi aiheuttaa muutoksen sen topologiassa.
Normaalitilassa piirissä on olemattomasti topologiaa, eikä siten tarjoa mitään suojaa vikoja vastaan. Kun jännite kasvoi tietyn kynnysarvon yli, topologia muuttuu eikä signaalisiirtoa haitannut satunnaiset viat, joita aiheutettiin piirilohkoon.
Topologia ja magneettisuus
Kalifornian Riverside yliopiston (UCR) ja työtoverit Massachusetts Institute of Technologystä (MIT) ja Arizona State Universitystä raportoivat, että he ovat luoneet vain 25 atomia paksun topologisen eristeen kalvon, joka tarttuu eristävään magneettikalvoon ja luo niistä "heterorakenteen".
Tämä heterorakenne tekee topologisen eristeen pinnasta magneettisen huoneen lämpötilassa ja jopa yli 400 Kelvinin lämpötilassa.
Insinöörit rakastavat kvantti poikkeava Hall-vaikutusta (QAHE), koska ne tekevät piireistä erittäin vastustuskykyisiä virheitä vastaan. Juuri nyt topologiset eristeet ovat ainoita materiaaleja, jotka voivat saavuttaa halutun QAHE:n, mutta vain jos ne on magnetisoitu.
Ongelma on siinä että topologiset eristepinnat eivät ole luonnollisesti magneettisia. Seostamalla sellainen on saatu aikaan mutta se toimii vain äärimmäisen alhaisissa lämpötiloissa.
Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat, että heteropohjaisten lähestymistapojen avulla topologisien eristeiden pinnat voivat tehdään magneettisesti ja kestäviksi - normaaleissa lämpötiloissa.
Spintroniikka
Spintroniikka on yksi todennäköisimmistä topologisista eristeistä hyötyvä tulevaisuuden tekniikka.
Tammikuussa Nagoyan yliopiston johtama kansainvälinen tutkimusryhmä kertoi tuottaneensa ensimmäisen todella tasomaisen staneenin eli kaksiulotteisen tinan ilman nurjahduksia.
Sen ennustetaan olevan "topologinen eristin", joka tunnetaan myös nimellä kvantti-spin Hall (QSH) -eriste.
Näiden materiaalien reunalla olevat erittäin johtavat kanavat voivat kuljettaa erityisiä kiraalivirtoja, joissa on spinit on lukittu kuljetussuuntaan, mikä tekee niistä erittäin houkuttelevia spintroniikan sovelluksiin.
"Staneenin ennustetaan kuitenkin saavuttavan QSH-tilan jopa huoneenlämpötilassa ja sen yläpuolella, varsinkin kun se funktionalisoidaan muiden alkuaineiden kanssa.
Lämmön muuttaminen sähköksi
Massachusetts Institute of Technologyn (MIT) vetämissä tutkimuksissa on havaittu, että topologiset materiaalit voisivat tehostaa lämpösähköisten rakenteiden tehokkuutta.
He ovat löytäneet keinon lisätä tehokkuutta kolminkertaiseksi käyttämällä "topologisia" materiaaleja, joilla on omaperäiset elektroniset ominaisuudet.
Vaikka aikaisemmatkin työt ovat osoittaneet, että topologiset materiaalit voivat toimia tehokkaina lämpösähkö järjestelminä, ei ole ollut täysin selvää miten homma toimii.
Tutkimusjulkaisussaan MIT:n tutkijat tunnistavat taustalla olevan ominaisuuden, joka tekee tietyistä topologisista materiaaleista mahdollisesti tehokkaammaksi lämpöenergisiksi materiaaleiksi nykyisiin verrattuna.
Vaikka tulokset perustuvat simulaatioihin, tutkijat voivat saavuttaa vastaavan suorituskyvyn syntetisoimalla tina-telluuria ja muita topologisia materiaaleja ja säätämällä niiden raekokoa nanovalmistustekniikalla.
"Luulen, että topologiset materiaalit ovat erittäin hyviä lämpösähkömateriaaleille, ja tulokset osoittavat, että tämä on erittäin lupaava materiaali tuleville sovelluksille", Liu sanoo.
Topologinen suprajohde
Helmikuussa Chalmersin teknillisen korkeakoulun tutkijat kertoivat onnistuneensa valmistamaan epätavanomaista suprajohdetta, jota voidaan käyttää tulevaisuuden kvantti-tietokoneiden luomiseen
Majoranan hiukkaset ovat epäherkkiä dekoherenssille, joten niistä voi tulla kvanttitietokoneen vakaita rakenneosia. Ongelmana on, että ne tapahtuvat vain hyvin erityisissä olosuhteissa.
Kvanttikoneessa idea on koodata tietoa Majorana fermion -pareihin, jotka on erotettu aineesta, jonka pitäisi periaatteessa tehdä laskelmat immuuniksi dekoherenssille.
Kiinteissä materiaaleissa ne näyttävät esiintyvän vain topologisissa suprajohteissa - uudenlaisessa suprajohteessa, jota ei käytännössä ole vielä edes löydetty. Intensiivisen ja monipolvisen tutkimusjakson jälkeen Chalmersin tutkimusryhmä pystyi osoittamaan, että he olivat luultavasti onnistuneet luomaan topologisen suprajohteen.
"Käytännön sovelluksissa materiaali on lähinnä kiinnostavia niille, jotka yrittävät rakentaa topologisen kvanttitietokoneen mutta tutkijat itse haluavat tutkia uutta fysiikkaa, joka piilee topologisissa suprajohteissa, sillä se on heidän mielestään uusi luku fysiikassa.
Topologisia pleksitoneja
Kalifornian yliopisto San Diegon, MIT:n ja Harvardin yliopiston tutkijat ovat suunnitelleet "topologisia pleksitoneja", jotka ovat energiaa kuljettavia hiukkasia.
Energia voi virrata edestakaisin metallissa olevan valon (ns plasmoni) ja molekyylissä olevan valon (ns eksitoni) välillä. Kun tämä vaihto on paljon nopeampi kuin niiden vastaavat vaimenemisnopeudet, niiden yksittäiset identiteetit menetetään, ja niitä voidaan ajatella hybrideinä hiukkasina, eli nämä eksitonit ja plasmonit yhdistyessään muodostavat pleksitoneja.
Materiaalitutkijat ovat etsineet tapoja parantaa prosessia, jota kutsutaan eksitoniseksi energian siirroksi (EET). Tällä energiansiirron muodolla on kuitenkin lyhyt kantavuus, parhaimmillaankin vain 20 000 nanometriä.
Pleksitonien odotetaan tulevan olennaiseksi osaksi seuraavan sukupolven nanofotoniikan piirejä, valonkeruu aurinkoenergian arkkitehtuureissa ja kemiallisen katalyysin laitteissa. Mutta suurin ongelma pleksitonien kanssa, on niiden liike kaikkiin suuntiin, mikä tekee vaikeaksi valjastaa niitä oikealla tavalla materiaalissa tai laiteissa.
Tutkijaryhmä on löytänyt ratkaisun tähän ongelmaan, muokkaamalla hiukkasia, joita kutsutaan topologisiksi pleksitoneiksi.
Pleksitoneilla, toisin kuin elektroneilla, ei ole sähkövarausta. Silti, kuten tutkijat havaitsivat, ne perivät vankan suuntaavan ominaisuuden. Lisäämällä tämä "topologinen" ominaisuus pleksitoneihin aiheuttaa EET:n suuntautuneisuutta, ominaisuus, josta tutkijoilla ei ole aikaisemmin ollut käsitystä.
Tämän pitäisi lopulta mahdollistaa insinöörien luoda pleksitonisia kytkimiä jakaa energian valikoivasti uudenlaisen aurinkokennon tai valokeruun laitteen eri osien kautta.
Heikkoja ja vahvoja topologisia
On olemassa kahdenlaisia topologisia eristeitä: vahvoja ja heikkoja. Ero niiden välillä on hienovarainen ja siihen liittyy monimutkaista fysiikkaa.
Vahvassa topologisessa eristepalassa kaikki kuusi pintaa voivat johtaa elektroneja mutta heikoilla vain neljä sivua on johtavia, kun taas ylä- ja alapinta jäävät eristäväksi." toteaa tutkimuksia Texas Dallasin yliopiston fyysikko Fan Zhang.
Vahvoja topologisia eristeitä on tehty kokeellisesti jo pidempään ja ne ovat yleisiä luonnossa. Heikot topologiset eristeet ovat olleet vaikeammin tavoiteltavia ja tutkijat eivät ole pystyneet edes lopullisesti sanomaan, että he ovat kokeellisesti tuottaneet sellaisen.
UT:n teoreettinen fyysikko Fan Zhang on kehittänyt uuden tavan tehdä heikko topologinen eriste. Kyseessä on suhteellisen yksinkertainen sekoitus kahta alkuainetta: Kide koostuu vismutista yhdistettynä joko jodin tai bromin kanssa. Niiden avulla on ainutlaatuisen mahdollisuuden tutkia eksoottista fysiikkaa melko yksinkertaisella kemialla", toteavat tutkijat.
Lisätutkimukset ja kokeilut voivat johtaa huomattaviin tekniikan edistymisiin, erityisesti elektroniikan ja kvanttilaskennan parissa.
Tutkijoiden mukaan pian on mullistettava transistorit. Yksi mahdollinen substituutio on ns topologinen kanavatransistori, joka voi olla valmistettu heikon topologisen eristeen ohutkalvosta."
"Heikot topologiset eristeet voisivat tehdä kvanttilaskennan toteutettavaksi," arvioivat tutkijat aiheen UT Dallasin tiedotteessa.
Puolimetallien villi Weyl-maailma
Oakridge National Laboratoryn (ORNL) neutronien sirontatutkimus auttoi Tulane-yliopiston johtamassa moniammatillisessa tiimissä tutkimaan grafeenin kaltaista strontium-mangaani-antimoni-ainetta (Sr1-yMn1-zSb2) joka isännöi sitä, mitä tutkijat epäilevät, olevan Weyl-semimetallifaasi.
Weyl-puolimetallien ominaisuudet sisältävät sekä magnetismin että topologisen semimetallikäyttäytymisen, jossa elektronit - tai varauskantajat -ovat lähes massattomia ja immuuneja johtavuuden virheille.
"Weylin puolimetallit ovat tällä hetkellä fysiikan pyhän graali", sanoo ORNL:n Alan Tennant. "Jotkut näistä materiaaleista osoittavat sellaista kvanttikäyttäytymistä huoneenlämpötilassa, mikä on juuri se, mitä on saavutettava, jotta saadaan aikaan polku kvantti-elektroniikkaan."
"Weylin puolimetallit ovat harvinaisia, ja useimmat niistä ovat ei-magneettisia. Löysimme yhden, joka on magneettinen", toteaa Qiqng Zhang. "Jos voimme paremmin ymmärtää tämän materiaalin sähköisiä käyttäytymismalleja, se voisi merkittävästi nopeuttaa tietokone- ja älypuhelintekniikoita."
Grafeenin elektroneilla on kuuluisa ominaisuus: ne muodostavat Dirac-kartion, jossa niiden liike ja energia liittyvät läheisesti toisiinsa samalla tavoin kuin valossa.
Toisin kuin grafeenilla, ryhmän materiaalilla on perinteistä magnetismia tai ferromagneettisuutta, mikä tarkoittaa, että elektronit kohdistuvat rinnakkaiseen järjestelyyn, kuten tyypillisen tankomagneetin pohjois- ja etelänavat. Mutta se osoittaa myös antiferromagnetismia, jossa elektronit osoittavat vastakkaisiin suuntiin naapurielektroniensa kanssa.
Magnetismilla on syvällinen vaikutus, Tennant selittää. Elektronien vastakkaiset liikkeet saavat Dirac-kartion jakautumaan kahdeksi uudeksi kartioksi. Tämä katkaisee periaatteen, joka tunnetaan ajan käänteissymmetriana, eli järjestelmä ei olisi sama, jos aika käännettäisiin uudelleen.
Kun nämä kaksi kartiota rikkovat aikakäänteissymmetriaa, ne aiheuttavat Weylin puolimetallin tilan, jossa elektronit menettävät massansa.
Merkitys on siinä, että elektroneilla on massa. Siitä johtuen - yhä pienempien transistorien ja vastaavien varauskantajamateriaalien - elektronit on taipumusta aiheuttaa liikenneruuhkia. Weylin puolimetallissa elektronit muistuttavat enemmänkin varauskantajia, jotka käyttäytyvät kuin ne olisivat lähes massattomia, mikä tekee niistä erittäin liikkuvia.
"Olemme löytäneet kahdenlaisia ferromagneettista järjestystä ja löysimme kokeellisen todistuksen aikakäännössymmetrian murtamisesta, mikä todennäköisesti loi Weyl-tilan nyt tutkitussa materiaalissa. Tämä tekee tästä järjestelmästä loistavan ehdokkaan tutkia aika-käänteisen symmetrian vaikutusta elektroniseen kaistarakenteeseen", toteaa Zhang tutkimuslaitoksensa helmikuussa julkaisemassa tiedotteessa.
Maaliskuu 2018