Dwuwymiarowy topologiczny izolator krystaliczny po raz pierwszy w laboratorium
Naukowcy z Uniwersytetu Jyväskylä i Aalto donoszą o pierwszej eksperymentalnej realizacji dwuwymiarowego topologicznego izolatora krystalicznego. Brzmi skomplikowanie, lecz sedno tkwi w specyficznych właściwościach tego tworu. Wewnątrz taki materiał nie przewodzi prądu, natomiast jego brzegi stają się doskonałymi przewodnikami. Co kluczowe, ta niezwykła cecha jest zabezpieczona symetrią sieci krystalicznej, a nie tylko ogólnymi prawami fizyki. To jak posiadanie zamka, który można otworzyć tylko jednym, bardzo specyficznym kluczem.
Czytaj też: Reguły gry w fizyce kwantowej do zmiany! Efekt Kondo zaskoczył ekspertów
Prace prowadzili badacze pod kierunkiem Kezilbeieka Shawulienu we współpracy z Peterem Liljerothem i Jose Lado. Członkowie zespołu zastosowali technikę epitaksji z wiązek molekularnych, która pozwala na niezwykle precyzyjne układanie atomów warstwa po warstwie. W ten sposób wyhodowali niezwykle cienką, dwuwarstwową strukturę z tellurku cyny na podłożu z diselenku niobu. Samo wytworzenie cienkiej warstwy to nie było największe wyzwanie. Prawdziwą sztuką było potwierdzenie, iż ma ona pożądane właściwości kwantowe. Tutaj z pomocą przyszła mikroskopia skaningowo-tunelowa, prowadzona w temperaturach bliskich zera absolutnego. Dzięki niej udało się zaobserwować charakterystyczne pary przewodzących stanów brzegowych, które są sygnaturą topologicznego izolatora. Co istotne, powstały one w dużej przerwie energetycznej, sięgającej ponad 0,2 eV.
Naprężenie mechaniczne jako przełącznik fazy kwantowej
Najciekawszym aspektem tego odkrycia jest rola mechanicznego naprężenia. Okazało się, że podłoże wywiera na warstwę tellurku cyny delikatny ucisk. To właśnie to ściskające naprężenie okazało się decydujące dla stabilizacji pożądanej fazy topologicznej. Działa to niczym przełącznik, wszak subtelny nacisk fizycznie „przestawia” materiał z trywialnego stanu w egzotyczny stan izolatora topologicznego. Możliwość strojenia właściwości za pomocą naprężenia to niezwykle praktyczny aspekt, który otwiera drogę do kontrolowania takich materiałów.
Czytaj też: Światło idzie w odstawkę. Inżynierowie mają coś lepszego dla materiałów kwantowych
Duża przerwa energetyczna sugeruje, iż właściwości mogą być stabilne nawet w temperaturze pokojowej. To ważna informacja, bo wiele obiecujących materiałów kwantowych działa wyłącznie w ekstremalnym chłodzie, co drastycznie ogranicza ich potencjalne zastosowania. Tutaj perspektywy wydają się nieco bardziej realistyczne. Fiński zespół poszedł krok dalej i przyjrzał się, jak poszczególne stany brzegowe na siebie wpływają. Jego członkowie odkryli, że interakcje, napędzane przez efekty elektrostatyczne i tunelowanie kwantowe, zanikają po około 5 nanometrach. To ważna skala dla projektowania przyszłych urządzeń. Badacze sprawdzili też, co się stanie, gdy naruszona zostanie kluczowa symetria krystaliczna materiału. Okazało się, że naturalnie występujące defekty atomowe na krawędziach łamią lokalnie tę symetrię, co prowadzi do pojawienia się przerwy w stanach brzegowych. To mocny dowód eksperymentalny, iż za ochronę tych stanów rzeczywiście odpowiada symetria kryształu. Gdy jej zabraknie, magiczne właściwości znikają.
Perspektywy zastosowań są obiecujące
Opisywane osiągnięcie tworzy nową platformę do badania dwuwymiarowych stanów topologicznych, które można w pewnym stopniu kontrolować. Potencjalne ścieżki rozwoju prowadzą w kierunku spintroniki, czyli elektroniki wykorzystującej spin elektronu obok jego ładunku. To mogłoby prowadzić do bardziej energooszczędnych i szybszych metod przechowywania oraz przetwarzania danych.
Materiał ten może też posłużyć jako podstawa do budowy bardziej złożonych struktur, jak heterostruktury van der Waalsa, czy jako punkt wyjścia do uzyskania topologicznego nadprzewodnictwa. I choć Finowie dostarczyli nauce niezwykle cenny przyrząd pomiarowy, czyli platformę do testowania teorii, to to, jak szybko i czy w ogóle, przełoży się to na konkretne gadżety w naszych kieszeniach, jest zupełnie inną historią. Niemniej, po dekadzie oczekiwań, wreszcie mamy w rękach coś namacalnego.