Физики из России раскрыли секреты работы "плоских" проводников

МОСКВА, 1 авг – РИА Новости. Российские и зарубежные исследователи нашли объяснение тому, почему так называемые топологические изоляторы, вещества, проводящие ток только по поверхности, ведут себя не так, как предсказывает теория. Их выводы были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

В последние годы физики из России и зарубежных стран активно изучают свойства так называемых топологических изоляторов – относительно нового класса материалов, которые проводят электрический ток только на поверхности, а внутри остаются диэлектриками-изоляторами или полупроводниками.

Подобные вещества привлекают физиков тем, что электроны в этом поверхностном слое ведут себя чрезвычайно стабильно, что позволяет использовать их в качестве сверхнадежного "хранилища" информации в квантовых компьютерах.

Проблема, как отмечают ученые из Института теоретической физики РАН, заключается в том, что "идеальных" топологических изоляторов не существует.

Как показали первые же опыты с ними, ни один из них не может проводить ток практически без потерь, не нагреваясь и не теряя энергию, как это предсказывает теория. Их реальная электропроводность всегда оказывается ниже тех значений, на которые указывают даже те расчеты, которые учитывают все возможные потери.

Физики-теоретики связывают это с тем, что внутри этих материалов всегда существуют различные примеси и несовершенства структуры, влияющие на характер движения электронов. К примеру, там могут присутствовать вкрапления атомов с ненулевым магнитным моментом, способные создавать магнитные поля и перенаправлять электроны.

«

"Одна из гипотез связывает расхождение теории и практики с наличием магнитных примесей. Слово "магнитные" в данном случае означает, что у примесных атомов есть магнитный момент. Если электрон подлетает к атому, их взаимодействия могут не только перевернуть импульс частицы, но и ее спин. Соответственно, она поменяет направление движения, и проводимость будет меньше ожидаемой", – объясняет Игорь Бурмистров.

Поведение таких атомов в "обычных" материалах – металлах, полупроводниках и изоляторах – было хорошо изучено еще в 20 веке, но то, как они влияют на поведение топологических изоляторов, еще недавно никто не изучал.

Два года назад Игорь Бурмистров, заместитель директора ИТФ РАН, и его коллеги заполнили этот пробел, просчитав те эффекты, которые возникают в топологическом изоляторе при попадании туда одного или нескольких атомов марганца.

Эти расчеты помогли ученым понять, как меняется поведение электронов при появлении атомов марганца на границу между проводящим и непроводящими слоями этого материала или на большом расстоянии от него, и просчитать, как "далеко" действует магнитное поле одного такого атома, и как они взаимодействуют друг с другом.

С другой стороны, недавние опыты экспериментаторов показывают, что магнитных примесей в топологических изоляторах нет. Возникает вопрос, что именно мешает движению электронов? Российские и зарубежные физики предположили, что роль примесей могут играть особые зоны внутри этих материалов, своеобразные "островки", где концентрация электронов повышена.

Эти островки могут случайным образом возникать в разных точках "плоского" проводника и мешать движению электронов подобно реальным атомам марганца и другим типам магнитных примесей.

Руководствуясь этой идеей, Бурмистров и его коллеги просчитали, как подобные скопления электронов будут влиять на движение тока, и как их поведение будет отличаться от того, как него влияют настоящие магнитные примеси.

Эти расчеты показали, что подобные различия действительно существуют, и что электроны действительно могут скапливаться в большое число подобных структур внутри топологических изоляторов. Более того, они будут способны отражать назад не только одиночные носители заряда, но и целые "кучки" электронов, что не могут делать атомы.

Подобные различия, как отмечает физик, можно использовать для того, чтобы различать настоящие магнитные примеси от скоплений электронов и даже определять их химический состав. Это ускорит разработку топологических изоляторов и позволит создать идеальную версию подобных материалов.

Как надеются российские ученые, их идея привлечет внимание отечественных научных фондов и они смогут продолжить ее разработку в ближайшие годы.