Регистрация пройдена успешно!
Пожалуйста, перейдите по ссылке из письма, отправленного на

Физики из России раскрыли секреты работы "плоских" проводников

© Иллюстрация РИА Новости . Алина Полянина, DepositphotosКвантовая природа топологических изоляторов
Квантовая природа топологических изоляторов
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.
Так художник представил себе стокновение сверхмалых частиц
Физики из МФТИ приблизились к созданию "плоских" квантовых компьютеров
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.
Так художник представил себе метаповерхность
Физики из России создали поверхность, где свет "бежит" без потерь
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.
Физик Чарльз Кейн, получивший премию Breakthrough Prize за открытие топологических изоляторов
"Нобелевка" Мильнера досталась физикам за открытие "проводников-изоляторов"
Рекомендуем
Лента новостей
0
Сначала новыеСначала старые
loader
Онлайн
Заголовок открываемого материала
Чтобы участвовать в дискуссии
авторизуйтесь или зарегистрируйтесь
loader
Чаты
Заголовок открываемого материала