Language
Country/Area
No result found
Почему поверхность топологического изолятора может проводить электричество, а внутренняя часть является изолирующей?
Топологические изоляторы — это особый тип материала, который ведет себя как электрический изолятор внутри, но является проводящим на поверхности, что позволяет электронам перемещаться только по поверхности материала. Характерной особенностью этого материала является наличие энергетической щели между валентной зоной и зоной проводимости, что аналогично традиционным «обычным» изоляторам. Однако валентная зона и зона проводимости топологических изоляторов в некотором смысле «скручены». По сравнению с обычными изоляторами это искажение делает невозможным непрерывное преобразование между топологическими изоляторами и обычными изоляторами, поскольку это приведет к закрытию энергетической щели. И создать проводящее состояние.
Уникальность топологических изоляторов заключается в том, что это явление не подвержено локальным возмущениям, а возникает из-за их глобальных структурных свойств.
Взаимосвязь между топологическими изоляторами и обычными изоляторами сложна и интересна, поскольку включает в себя различные топологические инварианты и симметрии материалов. Все топологические изоляторы должны иметь по крайней мере симметрию U(1), которая обычно исходит из сохранения числа частиц. Кроме того, многие топологические изоляторы также содержат симметрию обращения времени. Это означает, что функциональность поверхностного состояния, демонстрируемая топологическими изоляторами, является устойчивой и не может быть разрушена локальными симметриями. Это свойство привлекло большое внимание физического сообщества к топологическим изоляторам, поскольку оно демонстрирует нам тип физического поведения, который не описывается традиционной теорией материалов.
Ученые добились прогресса в изучении топологических изоляторов с 1980-х годов. Среди них первая теоретическая модель трехмерного топологического изолятора была предложена Волковым и Панкратовым в 1985 году, а интерфейсное состояние Дирака, существующее в структуре HgTe/CdTe, было впервые экспериментально подтверждено в 2007 году. С развитием многочисленных исследований существование топологических изоляторов становилось все более подтвержденным, и постепенно открывался потенциал их применения, например, в спиновой электронике и разработке транзисторов без рассеивания энергии.
Поверхностное состояние топологических изоляторов обладает особыми свойствами и может применяться во многих передовых областях науки и техники, особенно в квантовых вычислениях.
Поверхностные состояния топологических изоляторов могут не только поддерживать синхронизацию спин-импульса, но и приводить к появлению частиц Майораны, особенно при возникновении сверхпроводимости. Существование этих частиц не только способствует будущему развитию квантовых вычислений, но и расширяет наше понимание материи. Интересно, что явления, подобные топологическим изоляторам, существуют не только в квантовых системах, но могут быть обнаружены даже в классических средах, таких как фотонные, магнитные и акустические топологические изоляторы.
Интересно, что свойства топологических изоляторов тесно связаны с размерностью и симметрией их материалов. Ученые начали использовать топологические изоляторы, подобные «Флоке», которые моделируются периодически возбуждаемыми системами и демонстрируют топологически нетривиальные свойства. Это явление еще больше расширяет исследования топологических изоляторов и дает новые идеи для понимания свойств материи.
Вкратце, уникальность топологических изоляторов заключается в том явлении, что их поверхность может проводить электричество, в то время как внутренняя часть изолирована. Это оказывает глубокое влияние на материаловедение и прикладную технологию, делая его важным материалом, который нельзя игнорировать в область квантовых технологий. Означает ли это явление, что в будущем мы столкнемся с более необычным поведением материалов?
