Topologisia ilmiöitä tutkien27.01.2021
Spintroniikkaan siirtymiseksi tarvitaan materiaalikomponentteja, jotka rajoittavat elektroneja yhteen ulottuvuuteen ja hyödyntävät kvanttikäyttäytymistä. Eli tarvitaan topologisia eristeitä. Vuodesta 2017 lähtien on teoretisoitu korkeamman asteen topologisesta eristeestä. Tokion yliopiston kiinteän fysiikan instituutin tutkijatiimi on nyt luonut ensimmäisen kerran sellaisen. "Olemme luoneet korkeamman asteen topologisen eristeen käyttämällä vismutti-elementtiä", sanoo apulaisprofessori Takeshi Kondo. "Sillä on uusi kyky johtaa spinvirtaa vain kulman reunoillaan, olennaisesti yksiulotteisia viivoja pitkin. Koska spinvirta on sidottu yhteen ulottuvuuteen kahden sijasta, elektronit eivät siroa, joten spinvirta pysyy vakaana." Tämän kolmiulotteisen kiteen luomiseksi Kondo ja hänen tiiminsä pinosivat kaksiulotteisia viipaleita eli yhden atomin paksuisia kiteitä tietyllä tavalla. Vahvoille tai heikoille topologisille eristeille pinon kideviipaleet ovat kaikki suunnattu samalla tavalla, kuten pelikortit kuvapuoli alaspäin. Mutta korkeamman asteen topologisen eristeen luomiseksi viipaleiden kuvapuolisuuntaa vaihdettiin vuorotellen. Tämä hienovarainen muutos järjestelyssä tekee valtavan muutoksen tuloksena olevan kolmiulotteisen kiteen käyttäytymisessä. Illinoisin Urbana-Champaignin yliopiston tutkijat ovat puolestaan havainneet, että virheet voivat auttaa tutkijoita ymmärtämään topologian eksoottista fysiikkaa. Professorit Gaurav Bahlin ja Taylor Hughesin johtamassa ryhmässä tutkittiin metamateriaaleja, jotka he suunnittelivat sisältävän vikoja. Tutkijat yllättyivät huomatessaan, että vikoja voi todella käyttää hyödyksi. Tämän odottamattoman avun avulla tutkijatiimi on luonut käytännöllisen ja järjestelmällisen lähestymistavan epätavanomaisten materiaalien topologian tutkimiseen. Tutkijat käyttivät materiaalin rakenteen epätäydellisyyttä ansoittamaan ominaisuuden, joka vastaa todellisten materiaalien murto-osan varauksia. Yksittäinen elektroni itsessään ei voi kantaa osittaista varausta mutta pirstaloituneet varaukset voivat näkyä kiteissä, joissa monet elektronit poukkoilevat atomien ympäristöissä. Murto-osien varauksia ei ole mitattu luonnossa esiintyvissä tai erikseen kasvatetuissa kiteissä, mutta ryhmä osoitti, että niitä voidaan mitata metamateriaalista. Metamateriaaliin luotiin mikroaaltoresonaattorit, joista jokaisella oli atomin rooli kiteessä. Koosteeseen lisättiin erilaisia vikakohtia ja koska resonaattorit ovat yhteydessä toisiinsa, yksittäiset virheet vääristävät materiaalin yleistä muotoa ja sen topologiaa. "Näissä kiteissä murto-osien varaus osoittautuu tärkeimmäksi taustalla olevien topologisten ominaisuuksien ilmentymäksi", kertoo Tianhe Li, tutkimusryhmän teoreettisen fysiikan opiskelija. Aiheesta aiemmin: |
Nanotekniikka on tulevaisuuden lupaus. Näillä sivuilla seurataan elektroniikkaa sekä tieto- ja sähkötekniikkaa sivuavia nanoteknisiä tiedeuutisia.