Insulator topologi - keadaan materi baru

Pada tahun 2016, Hadiah Nobel dalam Fisika diberikan kepada tiga ilmuwan Amerika: Duncan Haldane, John Kosterlitz dan David Tuless untuk "penemuan teoretis transisi fase topologi dan fase topologi materi." Kami ingin memperkenalkan Anda pada frasa yang tidak jelas ini dengan menceritakan kisah menarik tentang bagaimana berbagai aspek konduktivitas listrik dipelajari dan apa yang menyebabkannya.

Orang-orang telah mengumpulkan amber sejak dahulu kala. Penyebutan tertulis pertama tentang fakta bahwa ambar, yang digosokkan pada wol, menarik potongan-potongan kecil linen dan zat lainnya, adalah milik filsuf Yunani. Thales of Miletus, sekitar 600 SM Kata modern dan turunannya berasal dari nama Yunani untuk amber "elektron" (ελεκτρον).

Pada awal abad ke-XNUMX, naturalis Inggris William Gilbert Dia memperhatikan bahwa tidak hanya ambar, tetapi juga banyak zat lain yang dapat "dialiri listrik" oleh gesekan. Seratus tahun kemudian otodidak Stephen Gray di Inggris, dengan teman Prancisnya, ia menunjukkan bahwa listrik yang dihasilkan dengan menggosok batang kaca dapat ditransmisikan dalam jarak jauh melalui logam dan benang basah, yang keduanya disebut konduktor listrik. Dalam percobaan pertama mereka, mereka mengatur konduktor listrik secara vertikal, karena listrik kemudian tampak seperti cairan yang mengalir dari atas ke bawah. Akhirnya, Gray mengalirkan listrik secara horizontal dari satu bagian kebunnya ke bagian lain menggunakan tali pembungkus basah yang digantung dari loop non-konduktif sutra.

Pemenang Hadiah Nobel Fisika 2016: D. D. Tuless, F. D. Haldane, J. M. Kosterlitz.

Elektron sebagai pembawa arus

Saat ini, sejumlah besar listrik ditransmisikan melalui untaian kabel aluminium tipis yang digantung di tiang baja tinggi. Pembawa energi ini adalah partikel materi yang sangat kecil - elektron - diberkahi dengan muatan listrik negatif, yang kita sebut elementer, karena tidak dapat lagi dibagi menjadi bagian-bagian yang lebih kecil. Elektron ini telah terlepas dari atom kabel inangnya dan hampir bebas bergerak di dalam logam. Logam menahan aliran arus listrik, karena elektron, yang dipaksa bergerak ke suatu arah, terus-menerus tersebar akibat tumbukan dengan cacat pada susunan atom induk yang benar, seperti pengotor asing. Tapi elektron tidak hanya berperilaku seperti partikel materi yang masif, seperti bola biliar mini. Mekanika kuantum mengajarkan bahwa elektron, setidaknya ketika tidak diamati, berperilaku seperti gelombang dan tunduk pada fenomena interferensi seperti gelombang. Selain itu, elektron diberkahi dengan properti kuantum tambahan yang disebut kembalidimana ia juga berperilaku seperti magnet mini.

Hambatan listrik adalah sifat spesifik dari sebuah konduktor, tergantung pada jenis bahan dari mana ia dibuat, serta panjang dan penampangnya. Bahkan di abad XNUMX Georg Ohm ia merumuskan di Jerman hukum yang menentukan besarnya aliran elektron, yaitu kekuatan arus listrik, tergantung pada tegangan yang diberikan pada konduktor dan hambatannya. Hukum Ohm adalah salah satu hukum dasar fisika dan teknik listrik. Sebagai pengakuan atas jasa Ohm, namanya dihormati dalam dua cara - pertama dengan nama unit hambatan listrik, dan lebih dari satu abad kemudian ... dengan nama salah satu kawah di Bulan. Adanya hambatan listrik menyebabkan kerugian energi yang besar dalam jaringan listrik, sehingga kabel listrik terbuat dari tembaga atau, jauh lebih ekonomis, dari aluminium; bahan dengan resistivitas rendah.

Hambatan listrik menghilang.

Sementara itu, pada tahun 1911, ilmuwan Belanda Camerling Onnes ia menemukan bahwa beberapa logam, seperti timbal, ketika didinginkan hingga suhu mendekati nol mutlak (-273 ° C), benar-benar kehilangan hambatan listrik. Fenomena ini disebut superkonduktivitastetap menjadi misteri selama hampir setengah abad. Menjadi jelas bahwa elektron superkonduktor harus berada dalam beberapa keadaan korelasi silang yang tidak biasa, ketika pergerakan satu elektron berkorelasi dengan pergerakan yang lain. Hanya dengan demikian praktis tidak mungkin untuk menyebarkan satu elektron, karena ini akan mengubah gerakan semua yang lain. Mekanika kuantum memprediksi koherensi kolektif seperti itu dari sejumlah besar partikel dari jenis tertentu, misalnya. fotonketika mereka semua dalam keadaan kuantum yang sama. Tetapi elektron, karena besarnya putarannya, termasuk dalam kategori partikel lain yang disebut fermionyang saling menghindari dan tidak dapat berada dalam keadaan yang sama pada waktu yang bersamaan.

Hanya pada tahun 1957 John Bardeen, Leon Cooper i John Schiffer di Amerika Serikat menjelaskan fenomena superkonduktivitas, di mana mereka dianugerahi Hadiah Nobel. Mereka menunjukkan bahwa di bawah kondisi yang menguntungkan, gaya tarik menarik kecil dapat muncul di antara pasangan elektron jauh dengan putaran berlawanan, mengimbangi tolakan listrik, karena pasangan tersebut berperilaku seperti partikel tunggal yang tidak lagi termasuk dalam kategori fermion. Pada suhu yang cukup rendah, semua uap masuk ke keadaan yang sama dengan energi terendah, menciptakan semacam kondensat koheren yang bertanggung jawab atas superkonduktivitas. Sayangnya, karena kebutuhan untuk menggunakan helium cair untuk mencapai suhu kritis di bawah superkonduktivitas terjadi, superkonduktor logam belum menemukan penggunaan yang signifikan di sektor energi.

kereta melayang

Tak disangka pada tahun 1986 Georg Bednortz i Alex Muller dari pusat penelitian IBM di Rüschlikon, dekat Zurich, menemukan bahwa keramik tertentu menjadi superkonduktif pada suhu yang jauh lebih tinggi daripada superkonduktor yang diketahui sebelumnya. Diharapkan untuk menghasilkan bahan superkonduktor pada suhu kamar. Berbagai kelompok penelitian di seluruh dunia mulai menerima bahan dengan suhu kritis yang semakin tinggi. Transmisi daya tanpa rugi, motor dan generator superkonduktor yang lebih efisien, pada prinsipnya, dapat direalisasikan pada suhu nitrogen cair, yang merupakan cairan yang murah dan tersedia secara luas.

Namun, itu tidak mungkin untuk mendapatkan bahan superkonduktor pada suhu kamar. Tetapi hambatan utama untuk meluasnya penggunaan superkonduktor suhu tinggi baru ini ternyata adalah keramik rapuh, dan mengubahnya menjadi kabel tipis yang digunakan dalam teknik listrik adalah tugas yang hampir mustahil. Sementara itu, berbagai perangkat telah ditemukan yang berhasil menggunakan superkonduktor suhu tinggi. Peluncuran pada tanggal 31 Desember 2000 di Cina merupakan pencapaian yang luar biasa. kereta maglev pertama menggunakan superkonduktor suhu tinggi. Maglev (dari levitasi magnetik) adalah kereta yang gerbongnya, berkat levitasi magnetik, melayang di atas jalur khusus, memungkinkan kecepatan hingga 600 km / jam. (Saya menyarankan Anda untuk menonton: "Shanghai Maglev" di YouTube ...).

Isolator topologi

Dan akhirnya, hit musim ini! Pada 2016, tiga ilmuwan Amerika - Duncan Haldane, John Kosterlitz i Alat David - dianugerahi Hadiah Nobel untuk pekerjaan teoretis yang dilakukan pada tahun 70-an dan 80-an. Hanya dalam dekade terakhir mereka menjadi subjek minat dan hasrat besar bagi fisikawan, berkat penemuan tak terduga yang mereka buat pada tahun 2005. Charles Kane i Eugene Mele dari Universitas Pennsylvania. Mereka secara teoritis menunjukkan bahwa konduktivitas logam dengan sifat yang tidak biasa dapat muncul di permukaan beberapa kristal semikonduktor. Bahan-bahan ini disebut isolator topologi.

Kristal isolator topologi SnTe yang ditanam di Institut Fisika PAN oleh Dr. S. Andrzej Shcherbakov

Nama "isolator topologi" sangat menyesatkan. Pertama-tama, bahan-bahan ini bukan isolator, tetapi konduktor listrik yang baik, di mana arus dengan sifat tertentu mengalir di sepanjang permukaannya. Kedua, bentuknya tidak ada hubungannya dengan topologi. Berbicara tentang topologi, cangkir dan torus biasanya digambarkan sebagai sosok yang setara secara topologi. Jika benda-benda ini terbuat dari plastisin, maka dimungkinkan, dengan menguleninya, untuk berpindah dari satu bentuk ke bentuk lain tanpa merobek atau menempelkan bahan, sambil mempertahankan lubang yang sesuai. Nah, dalam kasus isolator topologi, bentuk material tidak menjadi masalah, meskipun awalnya hanya lapisan material yang sangat tipis yang dipertimbangkan, yang dapat diperlakukan sebagai objek dua dimensi. Kata sifat "topologis" hanya mengacu pada sifat-sifat dari beberapa transformasi matematis yang mendasari teori bahan-bahan ini.

Putaran elektron memainkan peran kunci dalam isolator topologi, yang membuat elektron berperilaku seperti magnet mini. Sebuah elektron berputar di sekitar inti atom menciptakan medan magnet, yang, pada gilirannya, bekerja pada momen magnetnya sendiri. Dalam buku teks fisika, interaksi ini disebut interaksi spin-orbit. Ini penting dalam banyak fenomena fisik dan memainkan peran unik dalam isolator topologi. Kami menambahkan bahwa menurut teori relativitas khusus, elektron yang bergerak merasakan medan magnet bahkan ketika ia tidak berputar di sekitar inti atom; itu cukup bergerak tegak lurus terhadap arah medan listrik, misalnya, pada permukaan semikonduktor.

Keadaan materi baru

Arus permukaan di sekitar isolator topologi; panah hitam melambangkan putaran elektron

Jadi, dalam kristal beberapa senyawa semikonduktor dan paduan, seperti, misalnya, Bi2Se3, di mana interaksi spin-orbit yang sangat kuat diamati, konduktivitas logam dengan sifat yang tidak biasa muncul di permukaannya. Arah putaran elektron terkait erat dengan arah gerak elektron, yang, pada gilirannya, mengarah pada fakta bahwa elektron yang bergerak di sepanjang permukaan dan tunduk pada fenomena interferensi gelombang tahan terhadap hamburan balik. Jika elektron seperti itu mengalami cacat, ia akan dengan lembut "berjalan di sekitarnya" dan terus bergerak ke arah aslinya. Oleh karena itu, hambatan terhadap arus yang dibawa oleh elektron-elektron ini sangat kecil. Ini hanya satu, meskipun fitur yang sangat penting dari bahan-bahan ini. Faktanya, permukaan kristal seperti itu, yang menunjukkan sifat-sifat logam yang tidak biasa, adalah baru - tidak biasa - keadaan materi. Penemuannya menandai awal dari bidang penelitian menarik yang berkembang pesat, dan hari ini tidak diketahui penemuan dan aplikasi praktis apa yang akan dihasilkannya. Teori ini memprediksi, khususnya, munculnya kuasipartikel eksotis dalam isolator topologi, termasuk. fermion Majorana hipotetisyang dapat digunakan untuk perhitungan di komputer kuantum masa depan. Teori ini juga memprediksi kemungkinan menciptakan monopoli magnetiksementara setiap magnet nyata adalah dipol - ia memiliki dua kutub magnet, yang biasanya disebut utara dan selatan, yang tidak dapat dipisahkan. Kemungkinan penggunaan bahan-bahan ini dalam spintronik, suatu bentuk elektronika yang menjanjikan, di mana peran muatan elektron digantikan oleh putarannya, juga menjanjikan.

Sementara itu, pada tahun 2011, seorang fisikawan Amerika Liang Fu dari Massachusetts Institute of Technology secara teoritis memperkirakan bahwa mungkin ada bahan yang memiliki sifat isolator topologi yang tidak memerlukan interaksi spin-orbit yang kuat. Perannya digantikan oleh simetri yang sesuai dari susunan atom pada permukaan kristal. Mereka bernama isolator topologi kristal. Setahun kemudian, bahan tersebut diperoleh di Institut Fisika Akademi Ilmu Pengetahuan Polandia di Warsawa oleh kelompok yang dipimpin oleh prof. Tomas Storega. Itu adalah kristal tiga atom timah, timah dan selenium. Pencarian intensif untuk materi baru kelas ini telah dimulai di berbagai laboratorium di seluruh dunia. Bahan tersebut juga termasuk senyawa semikonduktor sederhana SnTe, mengkristal di Institut Fisika dari Akademi Ilmu Pengetahuan Polandia. Saat saya mengirimkan teks ini ke editor, di salah satu jurnal ilmiah paling bergengsi - "Nauka" - sebuah artikel bersama diterbitkan oleh para ilmuwan dari kelompok prof. Storego dan rekan Jerman mereka di Universitas Würzburg, yang melaporkan menemukan keadaan topologi satu dimensi yang aneh yang terjadi pada permukaan berundak dari kristal yang dihasilkan.

Akankah materi topologi menjadi terobosan dalam perkembangan teknologi informasi modern? Ini masih harus dilihat. Saat ini, perkembangan dinamis fisika benda terkondensasi dan disiplin terkait merangsang minat besar dalam topik ini.