Топологические изоляторы

В последние несколько лет неоднократно выдвигались предположения, что Нобелевская премия по физике будет вручена за открытие топологических изоляторов – особого типа материала, представляющего собой изолятор внутри и проводящий электрический ток на поверхности. Такие изоляторы, например, можно будет использовать в оптоволоконных линиях связи и квантовых компьютерах. В этом году ученые Дэвид Таулесс из Университета Вашингтона, Дункан Халдейн из Принстона и Майкл Костерлитц из Брауна, получили Нобелевскую премию за открытие топологических переходов и топологических фаз материи.

Теоретическое предсказание и последующее экспериментальное обнаружение топологических изоляторов, как нового класса диэлектрических трехмерных или двумерных кристаллических систем, имеющих устойчивые проводящие поверхностные или краевые состояния, является одним из наиболее ярких открытий физики конденсированного состояния XXI века.

Топологические изоляторы были предсказаны в 1980-х годах, впервые обнаружены в 2005 году и с тех пор активно изучаются. Состоящие из сотен элементов, эти материалы могут демонстрировать квантовые свойства, которые обычно проявляются только на микроскопическом уровне, но при этом остаются видимыми невооруженному глазу. Это материалы, в объеме которых существует так называемая «запрещенная зона», где они не могут проводить электрический ток: он может идти только по особым проводящим состояниям, которые распространяются по поверхности материала без рассеяния на примесях и дефектах.

Основы топологии

Термин «топология» в их названии как раз отражает те особенности материалов, благодаря которым проводящие состояния устойчивы к рассеянию. Топология отвечает на вопрос: можно ли непрерывно преобразовать один объект в другой?

Одна из основных идей топологии:
1. найти математическую (топологическую) характеристику объекта (топологический инвариант)
2. если объекты А и Б имеют разный топологический инвариант, то их нельзя непрерывно перевести друг в друга. Если одинаковый — неизвестно (ищите другой инвариант или доказывайте что их можно перевести).

Материал, существующий между классическим и квантовым мирами

«Мы обнаружили конкретный материал, который находится между этими двумя режимами», говорит Питер Армитаж, доцент физики в Университете Джона Хопкинса, опубликовавший свою работу в журнале Nature. Шесть ученых из Джона Хопкинса и Университета Рутгерса работали над материалами под названием топологические изоляторы, которые могут проводить электричество на своей поверхности толщиной в атом, но не внутри.

В ходе экспериментов материалы находились в таком состояние когда вещество, «проявляет макроскопические квантово-механические эффекты», говорит Армитаж. «Обычно мы считаем квантовую механику как теорию малых вещей, но в этой системе квантовая механика проявляется на макроскопических масштабах длин. Эксперименты стали возможны благодаря уникальной аппаратуре, разработанной в моей лаборатории».

В рамках экспериментов образцы темно-серого материала, изготовленные из элементов висмута и сеена — каждый несколько миллиметров в длину и разной толщины — поражались терагерцевыми световыми лучами, которые не видны невооруженным глазом. Исследователи измеряли отраженный свет по мере его перемещения через материальные образцы и обнаружили отпечатки квантового состояния материи.

В частности, они обнаружили, что, когда свет пропускался через материал, волна демонстрировала характеристики, связанные с физическими константами, которые обычно измеряются только в экспериментах атомного масштаба. Эти свойства соответствовали прогнозам, которые делались для квантового состояния.

Эти результаты углубляют понимание топологических изоляторов, а также могут способствовать развитию другой области, которую Армитаж называет «центральным вопросом современной физики». Какая связь есть между макроскопическим классическим миром и микроскопическим квантовым миром, из которого вытекает первый?

На эти вопросы еще предстоит ответить, но топологические изоляторы могут быть частью решения.

Фермион Майораны и квантовый компьютер

Одно из очень заманчивых применений топологических изоляторов связывают с созданием квантового компьютера. Предполагается конструкция так называемого топологического квантового компьютера на основе фермионов Майораны.

Загадочные майорановские частицы, как и судьба их автора, сами по себе составляют одну из наиболее таинственных историй в физике XX века. Необычные по своим свойствам фермионы были впервые предсказаны выдающимся итальянским физиком Этторе Майораной в 1937 году.

Интересно, что Майорановские фермионы являются своими собственными античастицами, согласно расчетам, они должны быть чрезвычайно устойчивыми к шумам и воздействиям окружающей среды. Майорановские частицы, например, можно использовать для надежного хранения и передачи квантовой информации.

Теоретики рассчитали, что квазичастицы, которые ведут себя как фермионы Майораны, могут появляться при манипуляциях с топологическим изолятором. Они должны существовать на границе таких областей, где топологический изолятор размещен рядом с обычным сверхпроводником.

В 2014 году команда исследователей из Принстонского и Техасского университетов (США) обнаружила новую элементарную частицу (фермион Майораны), которой удавалось «выскальзывать» от экспериментаторов в течение почти 80 лет.

Из-за внутренней противоречивой природы фермионы редко взаимодействуют с окружающей средой. Поэтому их так сложно зафиксировать. Чтобы зафиксировать неуловимые частицы, понадобился огромный туннельный сканирующий микроскоп. Его высота составляла два этажа.

В 2015 году голландские физики еще на шаг приблизились к созданию устойчивого квантового компьютера — они смогли создать фермионы Майораны с помощью обычных сверхпроводящих материалов, причем они сохраняли нужное состояние около 1 минуты. Был сделан важный шаг в сторону практического применения майорановских квазичастиц в роли кубитов. Такие кубиты отличаются от кубитов, «сделанных» из обычных атомов или частиц, большей устойчивостью, они значительно дольше сохраняют нужное квантовое состояние.


Важно понимать, что подобные работы в изучении топологических изоляторов имеют не только важное теоретическое значение. Данные открытия могут ускорить разработку сверхмощных квантовых компьютеров в недалеком будущем.

Закладка Постоянная ссылка.

Комментарии закрыты