Տոպոլոգիական մեկուսիչներ - նյութի նոր վիճակ

2016 թվականին ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակը շնորհվել է երեք ամերիկացի գիտնականների՝ Դունկան Հալդեյնին, Ջոն Կոստերլիցին և Դեյվիդ Թուլեսին «տոպոլոգիական փուլերի անցումների և նյութի տոպոլոգիական փուլերի տեսական հայտնագործությունների համար»։ Մենք ցանկանում ենք ձեզ ներկայացնել այս անհասկանալի արտահայտությունը՝ պատմելով ձեզ մի հետաքրքրաշարժ պատմություն այն մասին, թե ինչպես են ուսումնասիրվել էլեկտրական հաղորդունակության տարբեր ասպեկտները և ինչն է հանգեցրել դրան:

Մարդիկ սաթ են հավաքում անհիշելի ժամանակներից։ Առաջին գրավոր հիշատակումն այն մասին, որ բուրդին քսված սաթը ձգում է սպիտակեղենի մանր կտորներ և այլ նյութեր, պատկանում է հույն փիլիսոփային։ Միլետուսի Թալեսը, մոտավորապես 600 մ.թ.ա Ժամանակակից բառը և նրա ածանցյալները գալիս են սաթի «էլեկտրոն» (ελεκτρον) հունարեն անունից։

XNUMX-րդ դարի սկզբին անգլիացի բնագետ Ուիլյամ Գիլբերտ Նա նկատեց, որ ոչ միայն սաթը, այլեւ շատ այլ նյութեր կարող են «էլեկտրիֆիկացվել» շփման միջոցով։ Հարյուր տարի անց ինքնուսույց Սթիվեն Գրեյ Անգլիայում, իր ֆրանսիացի ընկերոջ հետ, նա ցույց տվեց, որ ապակե ձողը քսելու արդյունքում արտադրված էլեկտրաէներգիան կարող է փոխանցվել երկար հեռավորությունների վրա մետաղների և թաց թելերի միջոցով, որոնք նրանք երկուսն էլ անվանել են. էլեկտրական հաղորդիչներ. Իրենց առաջին փորձերի ժամանակ նրանք ուղղահայաց դասավորեցին էլեկտրական հաղորդիչները, քանի որ այն ժամանակ էլեկտրականությունը կարծես հեղուկի պես մի բան լիներ, որը պարզապես հոսում է վերևից ներքև: Վերջապես, Գրեյն իր այգու մի հատվածից մյուսը հոսանքազրկեց հորիզոնական՝ օգտագործելով խոնավ փաթաթող պարան, որը կախված էր մետաքսե ոչ հաղորդիչ օղակներից:

2016թ. ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակակիրներ՝ Դ.Դ.Թյուլես, Ֆ.Դ.Հալդեյն, Ջ.Մ.Կոստերլից:

Էլեկտրոնը որպես ընթացիկ կրիչ

Այսօր հսկայական քանակությամբ էլեկտրաէներգիա փոխանցվում է բարակ ալյումինե լարերի միջոցով, որոնք կախված են բարձր պողպատե սյուներից: Այս էներգիայի կրողները նյութի աներևակայելի փոքր մասնիկներն են. էլեկտրոնները - օժտված է բացասական էլեկտրական լիցքով, որը մենք անվանում ենք տարրական, քանի որ այն այլեւս չի կարող բաժանվել ավելի փոքր մասերի։ Այս էլեկտրոնները անջատվել են իրենց հաղորդալարի ատոմներից և գրեթե ազատ են շարժվել մետաղի ներսում: Մետաղը դիմադրում է էլեկտրական հոսանքի հոսքին, քանի որ էլեկտրոնները, որոնք ստիպված են շարժվել մի ուղղությամբ, անընդհատ ցրվում են մայր ատոմների ճիշտ դասավորության թերությունների բախման արդյունքում, ինչպիսիք են օտար կեղտը: Բայց էլեկտրոնն իրեն միայն նյութի զանգվածային մասնիկի նման չի պահում, ինչպես բիլիարդի մանրանկարչական գնդակը: Քվանտային մեխանիկա սովորեցնում է, որ էլեկտրոնը, համենայն դեպս, երբ չի դիտարկվում, իրեն ալիքի նման է պահում և ենթակա է ալիքի նման միջամտության երևույթների։ Ավելին, էլեկտրոնն օժտված է լրացուցիչ քվանտային հատկությամբ, որը կոչվում է ետորի շնորհիվ այն նաև իրեն պահում է մանրանկարչական մագնիսի պես։

Էլեկտրական դիմադրությունը հաղորդիչի հատուկ հատկությունն է՝ կախված նյութի տեսակից, որից այն պատրաստված է, ինչպես նաև դրա երկարությունից և խաչմերուկից։ Նույնիսկ XNUMX-րդ դարում Գեորգ Օհմ նա Գերմանիայում ձևակերպեց օրենք, որը որոշում է էլեկտրոնների հոսքի մեծությունը, այսինքն՝ էլեկտրական հոսանքի ուժգնությունը՝ կախված հաղորդիչի նկատմամբ կիրառվող լարումից և նրա դիմադրությունից։ Օմի օրենքը ֆիզիկայի և էլեկտրատեխնիկայի հիմնարար օրենքներից մեկն է։ Ի ճանաչում Օհմի արժանիքներին, նրա անունը մեծարվեց երկու ձևով՝ նախ էլեկտրական դիմադրության միավորի անունով, իսկ ավելի քան մեկ դար անց ... Լուսնի խառնարաններից մեկի անունով: Էլեկտրական դիմադրության առկայությունը էլեկտրացանցերում էներգիայի հսկայական կորուստներ է առաջացնում, ուստի էլեկտրական մալուխները պատրաստված են պղնձից կամ, շատ ավելի տնտեսապես, ալյումինից. ցածր դիմադրողականությամբ նյութեր.

Էլեկտրական դիմադրությունը անհետանում է:

Մինչդեռ հոլանդացի գիտնականը 1911թ Կամերլինգ Օննես նա հայտնաբերեց, որ որոշ մետաղներ, օրինակ՝ կապարը, երբ սառչում են բացարձակ զրոյին մոտ ջերմաստիճանում (-273 ° C), ամբողջովին կորցնում են էլեկտրական դիմադրությունը: Այս երեւույթը կոչվում է գերհաղորդականությունմնաց առեղծված գրեթե կես դար: Պարզ դարձավ, որ գերհաղորդիչ էլեկտրոնները պետք է լինեն խաչաձև հարաբերակցության ինչ-որ անսովոր վիճակում, երբ մեկ էլեկտրոնի շարժումը փոխկապակցված է մյուսների շարժման հետ։ Միայն այդ դեպքում է, որ գործնականում անհնար է մեկ էլեկտրոն ցրել, քանի որ դա կփոխի բոլոր մյուսների շարժումը: Քվանտային մեխանիկան կանխատեսում է, օրինակ, որոշակի տեսակի մասնիկների հսկայական քանակի նման կոլեկտիվ կապ: ֆոտոններերբ նրանք բոլորը գտնվում են նույն քվանտային վիճակում: Բայց էլեկտրոնները, իրենց սպինի մեծության պատճառով, պատկանում են մասնիկների մեկ այլ կատեգորիայի, որը կոչվում է ֆերմիոններորոնք խուսափում են միմյանցից և չեն կարող միաժամանակ լինել նույն վիճակում։

Միայն 1957 թ Ջոն Բարդին, Լեոն Կուպեր i Ջոն Շիֆեր ԱՄՆ-ում բացատրել են գերհաղորդականության ֆենոմենը, որի համար արժանացել են Նոբելյան մրցանակի։ Նրանք ցույց տվեցին, որ բարենպաստ պայմաններում փոքր գրավիչ ուժ կարող է առաջանալ հակառակ սպիններով հեռավոր էլեկտրոնների զույգերի միջև՝ փոխհատուցելով էլեկտրական վանումը, ինչի պատճառով նման զույգն իրեն պահում է որպես մեկ մասնիկ, որն այլևս չի պատկանում ֆերմիոնների կատեգորիային: Բավականաչափ ցածր ջերմաստիճանի դեպքում բոլոր գոլորշիներն անցնում են նույն վիճակին՝ նվազագույն էներգիայով՝ ստեղծելով մի տեսակ համակցված կոնդենսատ, որը պատասխանատու է գերհաղորդականության համար: Ցավոք, այն կրիտիկական ջերմաստիճանին հասնելու համար հեղուկ հելիումի օգտագործման անհրաժեշտության պատճառով, որից ցածր տեղի է ունենում գերհաղորդականություն, մետաղական գերհաղորդիչները զգալի կիրառություն չեն գտել էներգետիկ ոլորտում:

սավառնող գնացքներ

Անսպասելիորեն 1986 թ Գեորգ Բեդնորզ i Ալեքս Մյուլլեր Ցյուրիխի մերձակայքում գտնվող Ռուշլիկոնում գտնվող IBM հետազոտական ​​կենտրոնից պարզել են, որ որոշ կերամիկաներ գերհաղորդիչ են դառնում շատ ավելի բարձր ջերմաստիճանում, քան նախկինում հայտնի գերհաղորդիչները: Ակնկալվում էր, որ սենյակային ջերմաստիճանում գերհաղորդիչ նյութեր կարտադրեն: Աշխարհի տարբեր հետազոտական ​​խմբեր սկսեցին ստանալ ավելի բարձր կրիտիկական ջերմաստիճան ունեցող նյութեր: Էլեկտրաէներգիայի անկորուստ փոխանցում, ավելի արդյունավետ գերհաղորդիչ շարժիչներ և գեներատորներ, սկզբունքորեն, կարող են իրականացվել արդեն հեղուկ ազոտի ջերմաստիճանում, որը էժան և լայնորեն մատչելի հեղուկ է:

Սակայն սենյակային ջերմաստիճանում գերհաղորդիչ նյութեր ստանալ հնարավոր չէր։ Բայց այս նոր բարձր ջերմաստիճանի գերհաղորդիչների լայն կիրառման հիմնական խոչընդոտը պարզվեց, որ փխրուն կերամիկան է, և դրանք բարակ լարերի վերածելը, որն օգտագործվում է էլեկտրատեխնիկայում, գրեթե անհնարին խնդիր է: Մինչդեռ արդեն հայտնագործվել են տարբեր սարքեր, որոնք հաջողությամբ օգտագործում են բարձր ջերմաստիճանի գերհաղորդիչներ։ 31 թվականի դեկտեմբերի 2000-ին Չինաստանում մեկնարկը ակնառու ձեռքբերում էր: առաջին Maglev գնացքը օգտագործելով բարձր ջերմաստիճանի գերհաղորդիչներ: Maglev-ը (մագնիսական լևիտացիայից) գնացք է, որի վագոնները, մագնիսական լևիտացիայի շնորհիվ, սավառնում են հատուկ գծերի վրա՝ թույլ տալով մինչև 600 կմ/ժ արագություն: (Խորհուրդ եմ տալիս դիտել. «Shanghai Maglev» YouTube-ում ...):

Տոպոլոգիական մեկուսիչներ

Եվ վերջապես, սեզոնի հիթը: 2016 թվականին երեք ամերիկացի գիտնականներ. Դունկան Հոլդեն, Ջոն Կոստերլից i Դեյվիդ Թուլց - արժանացել են Նոբելյան մրցանակի 70-80-ական թվականներին կատարած տեսական աշխատանքի համար։ Միայն վերջին տասնամյակում նրանք դարձել են ֆիզիկոսների մեծ հետաքրքրության և կրքի առարկա՝ 2005 թվականին կատարած անսպասելի հայտնագործության շնորհիվ: Չարլզ Քեյն i Յուջին Մելե Փենսիլվանիայի համալսարանից։ Նրանք տեսականորեն ցույց տվեցին, որ անսովոր հատկություններով մետաղական հաղորդունակությունը կարող է հայտնվել որոշ կիսահաղորդչային բյուրեղների մակերեսին։ Այս նյութերը կոչվում են տոպոլոգիական մեկուսիչներ.

SnTe տոպոլոգիական մեկուսիչ բյուրեղ, որը աճեցվել է PAN-ի ֆիզիկայի ինստիտուտում դոկտոր Ս. Անջեյ Շչերբակովի կողմից

Հենց «տոպոլոգիական մեկուսիչներ» անվանումը ապակողմնորոշիչ է։ Նախ, այս նյութերը մեկուսիչներ չեն, այլ էլեկտրական հոսանքի լավ հաղորդիչներ, որոնցում որոշակի հատկություններով հոսանք է հոսում իրենց մակերեսով։ Երկրորդ՝ դրանց ձևը կապ չունի տոպոլոգիայի հետ։ Խոսելով տոպոլոգիայի մասին՝ գավաթը և տորուսը սովորաբար պատկերվում են որպես տոպոլոգիապես համարժեք պատկերներ։ Եթե ​​այդ առարկաները պատրաստված լինեին պլաստիլինեից, ապա հնարավոր կլիներ այն հունցելով՝ առանց նյութը պատռելու կամ սոսնձելու անցնել մի ձևից մյուսը՝ պահպանելով համապատասխան անցքը։ Դե, տոպոլոգիական մեկուսիչների դեպքում նյութի ձևը նշանակություն չունի, չնայած սկզբում դիտարկվում էին միայն շատ բարակ նյութերի շերտեր, որոնք կարելի էր դիտարկել որպես երկչափ առարկաներ։ «Տոպոլոգիական» ածականը վերաբերում է միայն այդ նյութերի տեսության հիմքում ընկած որոշ մաթեմատիկական փոխակերպումների հատկություններին։

Էլեկտրոնի սպինը առանցքային դեր է խաղում տոպոլոգիական մեկուսիչներում, ինչը ստիպում է էլեկտրոնին իրեն պահել մանրանկարչության մագնիսով: Էլեկտրոնը, որը պտտվում է ատոմի միջուկի շուրջ, ստեղծում է մագնիսական դաշտ, որն էլ իր հերթին գործում է իր մագնիսական պահի վրա։ Ֆիզիկայի դասագրքերում այս փոխազդեցությունը կոչվում է սպին-ուղիղ փոխազդեցություն. Սա կարևոր է բազմաթիվ ֆիզիկական երևույթների դեպքում և յուրահատուկ դեր է խաղում տոպոլոգիական մեկուսիչներում: Մենք ավելացնում ենք, որ հարաբերականության հատուկ տեսության համաձայն՝ շարժվող էլեկտրոնը զգում է մագնիսական դաշտ նույնիսկ այն դեպքում, երբ այն չի պտտվում ատոմի միջուկի շուրջը. բավական է, որ այն ուղղահայաց շարժվի էլեկտրական դաշտի ուղղությանը, օրինակ՝ կիսահաղորդչի մակերեսին։

Նյութի նոր վիճակ

Տոպոլոգիական մեկուսիչի շուրջ մակերևութային հոսանքներ; սև նետերը խորհրդանշում են էլեկտրոնի սպինը

Այսպիսով, որոշ կիսահաղորդչային միացությունների և համաձուլվածքների բյուրեղներում, ինչպիսին է, օրինակ, Bi2Se3-ը, որտեղ նկատվում է շատ ուժեղ սպին-ուղիղ փոխազդեցություն, դրանց մակերեսին հայտնվում է անսովոր հատկություններով մետաղական հաղորդունակություն։ Էլեկտրոնի սպինի ուղղությունը սերտորեն կապված է էլեկտրոնի շարժման ուղղության հետ, ինչը, իր հերթին, հանգեցնում է նրան, որ մակերևույթի երկայնքով շարժվող էլեկտրոնները, որոնք ենթարկվում են ալիքի միջամտության երևույթին, դիմացկուն են ետ ցրման: Եթե ​​նման էլեկտրոնը հանդիպի թերության, այն նրբորեն «կշրջի» նրա շուրջը և կշարունակի շարժվել իր սկզբնական ուղղությամբ։ Հետեւաբար, այս էլեկտրոնների կողմից իրականացվող հոսանքի դիմադրությունը շատ փոքր է: Սա միայն մեկն է, թեև այս նյութերի շատ կարևոր առանձնահատկությունն է: Փաստորեն, նման բյուրեղների մակերեսը, որն արտահայտում է անսովոր մետաղի հատկությունները, այն է նոր - անսովոր - նյութի վիճակ. Նրա հայտնագործությունը նշանավորեց հետազոտության հետաքրքրաշարժ դաշտի սկիզբը, որը արագ զարգանում է, և այսօր հայտնի չէ, թե ինչ այլ հայտնագործությունների և գործնական կիրառությունների դա կհանգեցնի: Տեսությունը կանխատեսում է, մասնավորապես, էկզոտիկ քվազիմասնիկների հայտնվելը տոպոլոգիական մեկուսիչում, ներառյալ. հիպոթետիկ Majorana fermionsորը կարող է օգտագործվել ապագա քվանտային համակարգիչների հաշվարկների համար: Տեսությունը կանխատեսում է նաև ստեղծելու հնարավորությունը մագնիսական մենաշնորհմինչդեռ յուրաքանչյուր իրական մագնիս դիպոլ է, այն ունի երկու մագնիսական բևեռ, որոնք պայմանականորեն կոչվում են հյուսիս և հարավ, որոնք հնարավոր չէ բաժանել: Խոստումնալից է նաև էլեկտրոնիկայի խոստումնալից ձևի՝ սպինտրոնիկայի մեջ այս նյութերի օգտագործման հնարավորությունը, որտեղ էլեկտրոնի լիցքի դերը փոխարինվում է նրա սպինով։

Մինչդեռ ամերիկացի ֆիզիկոս 2011թ Լիանգ Ֆու Մասաչուսեթսի տեխնոլոգիական ինստիտուտը տեսականորեն կանխատեսել է, որ կարող են լինել նյութեր, որոնք ունեն տոպոլոգիական մեկուսիչի հատկություններ, որոնք չեն պահանջում ուժեղ սպին-ուղիղ փոխազդեցություն: Նրա դերը փոխարինվում է բյուրեղի մակերեսի վրա ատոմների դասավորության համապատասխան համաչափությամբ։ Նրանք անվանվեցին բյուրեղային տոպոլոգիական մեկուսիչներ. Մեկ տարի անց նման նյութ ձեռք բերվեց Վարշավայի Լեհաստանի գիտությունների ակադեմիայի ֆիզիկայի ինստիտուտում՝ խմբի ղեկավարությամբ. պրոֆ. Թոմաս Ստորեգու. Դա կապարի, անագի և սելենի ատոմների եռակի բյուրեղ էր: Այս դասի նոր նյութերի ինտենսիվ որոնում է սկսվել աշխարհի տարբեր լաբորատորիաներում: Նման նյութերը ներառում են նաև պարզ կիսահաղորդչային միացություն SnTe, որը բյուրեղացել է Լեհաստանի գիտությունների ակադեմիայի ֆիզիկայի ինստիտուտում։ Մինչ ես այս տեքստն ուղարկում եմ խմբագրին, ամենահեղինակավոր գիտական ​​ամսագրերից մեկում՝ «Nauka»-ում, տպագրվել է պրոֆ. Ստորեգոն և Վյուրցբուրգի համալսարանի իրենց գերմանացի գործընկերները, ովքեր հայտնել են, որ հայտնաբերել են յուրահատուկ միաչափ տոպոլոգիական վիճակներ, որոնք տեղի են ունենում ստացված բյուրեղի աստիճանավոր մակերեսի վրա:

Արդյո՞ք տոպոլոգիական նյութը կդառնա բեկումնային ժամանակակից տեղեկատվական տեխնոլոգիաների զարգացման գործում: Սա դեռ պետք է տեսնել: Այսօր խտացված նյութի ֆիզիկայի և հարակից առարկաների դինամիկ զարգացումը մեծ հետաքրքրություն է առաջացնում այս թեմայի նկատմամբ: