Alles mõne aasta eest Lawrence Berkeley Rahvusvahelises Laboratooriumis avastatud tugevad 3D topoloogilised isolaatorid on nüüd üle maailma kujundamas tahkisefüüsika laborite uurimissuundi. Näiliselt lihtsatel pooljuhtidel on avastatud paljutõotavad omadused. Näiteks võib ette kujutada head elektrijuhtivusega ainet, mille ristläbilõike keskmes asub isolaatortsoon, umbes nagu vasega kaetud tennisepall.
Topoloogilise isolaatori pinnaelektronid saavad kulgeda väikese takistusega, osalt tänu väheintensiivsele elektron-foonon interaktsioonile. Elektronide spinn ja liikumissuund on lähedalt seotud; liikumissuund ning pinnolek määravad teineteist vastastikku.
Topoloogilise isolaatori pind ei ole nagu harilikul metallil. Selle pinnaelektronide suund ning spinn on omavahel sõltuvuses, ja teiste laengukandjatega pidevas ansamblilises muutumises. Teadlasi on üllatanud, et pinnaelektrone ei saa defektide või sarnaste häiretega hajutada, mistõttu on elektriline takistus väike. Seda seletatakse pinnaolekute topoloogilise kaitstusega (topologically protected), milles ei ole hajumine ilma kvatmehaanika seadusi rikkumata võimalik.
„Üks viis elektronide liikumise takistamiseks on nende hajutamine pinnafoononitel. Foononid on kristalliliste materjalide kvantiseeritud võrevõnkumised, mida kirjeldatakse matemaatiliselt osakestena. Töö topoloogiliste isolaatoritega on iseäranis paljulubav, sest pinnaelektronide ning foononite interaktsioon on vaevumärgatav, mis on spintroonika tehnoloogiat silmas pidades igati soodus,“ kommenteeris Berkeley laboratooriumi ALS (Advanced Light Source, loe siit) teadlane Alexis Fedoro.
Topoloogilise isolaatori pindjuhtivuse mõõtmisel tuleb esmalt kehva elektrijuhtivusega üldmassist eristada selle pind. Üht võimalikest tehnikatest on nurk-resolutsiooniga fotoemissioonspektromeetria (ARPES).
ARPES heidab sarnaselt ALS projektile uuritavale materjalile intensiivse valgusvoo ning jäädvustab selle pinnast footonitega lahti löödud elektrone. Elektronide langedes CCD deketorile on võimalik nende leviku nurga ning energia abil korduvmõõtmiste teel graafiliselt rekonstrueerida uuritava materjali pinnaelektronstruktuur.
„ARPES-i kiirtejoal numbriga 12.0.1 tundub olevat topoloogiliste isolaatorite uurimiseks ideaalne energia,
ARPES kaardistab pinnaelektronide struktuuri, aga ka juhtivustsoonide kihtstruktuuri ning topoloogilise isolaatori vismut-seleniidi Fermi pinna. Sarnaselt grafeenile kohtub topoloogilise isolaatori madalama energiaga juhtivustsoon kõrgema energiaga juhtivustsooniga nn. Diraci punktis. Üleminek ühelt tsoonilt teisele on pidev ning otsene keelutsoon puudub. Erinevalt grafeenist ei läbi Bi2Se3 Fermi pind Diraci punkti (grafeenil Brillouin punkti äärispunktid). Eraldiseisvad spinn-olekud (märgitud punase noolega) seostuvad iga eri impulsiruumi punktiga (paremal).
resolutsiooni ja voo tasakaal. Sama juga kasutati ka esimestel eksperimentidel, mis 3D topoloogiliste isolaatorite olemasolu kinnitasid. Paljud teadusrühmad on sellest ajast jätkanud nende huvitavate materjalide omaduste uurimist,“ kommenteeris Fedorov. ARPES eksperimendi raames materjalist väljutatud elektronide abil on võimalik otseselt kaardistada materjali valents- ja keelutsoonid ning vabade laengukandjate paigutus nendes.
Isolaatoritel on laiad keelutsoonid, pooljuhtidel aga kitsamad. Bi2Se3 sarnaste topoloogiliste isolaatorite pinnaolekute juhtivus- ja keelutsoonide struktuur moodustab kahe tippudega telgsümmetriliselt ühendatud koonuse kujutise. Koonuste puutepunkti nimetatakse Diraci punktiks. Topoloogias puudub keelutsoon ja üleminek juhtivustsoonile on pidev. Grafeenil, mis on ühe aatomkihi paksune planaane materjal, on sarnane struktuur. ARPES tsoonstruktuuri diagrammid moodustavad mainitud koonusstruktuuri sümmeetriatelje sihilise läbilõike, mis on tsentreeritud Diraci punktile.
Olgugi, et grafeen ning topoloogilised isolaatorid omavad sarnast kihtstruktuuri, on nende ülejäänud eletrilised omadused väga erinevad. Kiiruste ja spinnorientatsioonide eri kombinatsioonid on ekvivalentsed absoluutsel nulltemperatuuril olevate kõrge energiaga osakestega. Taolised osakesed moodustavad materjali impulsiruumi, mida kaardistab Fermi pind. Grafeeni Fermi pind asetseb risti sümmeetriateljega koonuste lõikepunktis. Bi2Se3 puhul lõikub aga Fermi pind juhtivustsooni koonusega nii, et lõikepind moodustab ideaalse ringi. Ringtrajektoor oleks topoloogilise isolaatori pinnale joonistatud justkui selleks, et näidata spinn-lukustatud pinnaelektronidele ette, kuidas radapidi liikudes spinn orientatsiooni muuta.
APRES moodustatud diagramidest saab muuhulgas arvutada elektron-foonon paardumisi. Mõõtmised Bi2Se3 substraadil on näidanud, et nimetatud interaktsioon on selles üks nõrgimaid mistahes seni mõõdetud materjaleist, seda isegi toatemperatuuril.
„Uurida on veel palju. Pea olematu elektron-foonon interaktsioon tähendab, et Bi2Se3 on praktilisteks rakendusteks sobilik materjal,“ sõnas Fedorov. Edasise progressi korral võivad topoloogiliste isolaatorite toatemperatuursed elektronide spin-lukustatud olekud olla võtmeks tuleviku spintroonikaseadmetele, aga ka muudele eksootilistele tehnoloogilistele lahendustele.
Näiteks on teoreetiliselt võimalik ülijuhtiva materjali kihtsadestamisel topoloogilise isolaatori pinnale luua osake, mis on ühtlasi enese antiosake. Lisaks oleks osakesel komposiitmaterjali keskkonnas pikk eluiga, mis on osakeste ning antiosakeste puhul harv nähe. Taoliste Majorana-fermionide avastamine oleks omaette saavutus, ning võimaldaks potentsiaalselt üle saada kvantarvutite arengut seni enimhäirivast probleemist, milleks on andmetalletus kvantbittide kujul.
Allikas: PhysOrg
Leave a Reply