Sellel aastal ei ole tahkisefüüsikaga tegelevate teadlaste konverentsidel olnud enam peamiseks kõneaineks sugugi mitte grafeen vaid hoopiski topoloogilised isolaatorid. Seda ka väga heal põhjusel.
Nimelt võivad need tulevikus elektroonikatööstuses tekitada samasuguse revolutsiooni kui grafeen. Kuigi nende nimes esineb sõna isoleeriv, ei ole topoloogilised isolaatorid tegelikult täies ulatuses isoleerivate omadustega, vaid nende pind juhib elektrit. Kuid erinevalt tavalistest juhtidest ei lähe elektronid pinnal liikudes pinnadefektide tõttu kaotsi. Peaaegu mitte ükski.
Bi2Te3 ühendi struktuur. Graafika: Wikimedia Commons
See on üks peamisi põhjuseid, miks viib topoloogiliste isolaatorite kasutuselevõtt lõpuks väiksemate ja kiiremate elektroonika seadmeteni. Kuigi esimesed eksperimentaalsed läbimurded saavutati juba sarnaste omadustega üliõhukeste elavhõbedast ja telluurist koosnevate kiledega 2006. aastal, ei ole pinnaelektrivoolu palju uuritud kolmedimensioonilistes topoloogilistes isolaatorites veel saavutatud. Seni ei ole näidised piisavalt puhtad olnud ja ka kristallid ei ole olnud piisavalt isoleerivate omadustega.
Princetoni ülikooli töörühm eesotsas Robert Cava ja Nai Phuan Ong‘iga demonstreerisid aga elektronide juhtivust teise telluuri ühendi – Bi2Te3 pinnal. Isoleerivate omaduste saamiseks kasvatasid teadlased kristalle varieerides elementide suhtelist sisaldust kogu näidise ulatuses. Seejärel lõikasid nad selle õhukesteks viiludeks ja otsisid parimate omadustega materjalitükke.
Tõsi, mitte ükski saadud näidis ei olnud täielikult isoleerivate omadustega. Ent sellest piisas, et elektronide liikumist materjali sisemuses pinnaefektide eristamiseks piisavalt takistada. Mõningate näidiste puhul suutis töörühm kinnitada ka märgatavalt suuremat, kuni 12 korda kiiremat elektrivoolu kui materjali sees.
Topoloogilised isolaatorid muudab niivõrd eriliseks nende struktuur. Matemaatilisest vaatenurgast on tavalised kristallid ideaalselt korrapärased struktuurid, mis ulatuvad lõpmatusse. Kristallidel, millega igapäevaelus kokku puututakse, on aga alati pinnakiht, kus on keemiliste sidemete otsad lahti. Järelikult on ka pinna elektroonilised omadused üldiselt teistsugused kui kristalli sees.
Paljudel teistel juhtudel on see pigem halb omadus. Näiteks päikesepatareides vähendab see oluliselt valguse elektrienergiaks muutmise efektiivsust, kuid just see muudab topoloogilised isolaatorid nii omapäraseks.
Erinevalt enamikest teistest ainetest on topoloogiliste isolaatorite pinnad nende erilise pinnastruktuuri tõttu väliste häirete eest kaitstud. Sama hästi võiks võrrelda Möbiuse riba hariliku kummilindiga. Viimasest ei saa Möbiuse riba mitte kuidagi teha, vähemalt ilma kummilinti katki lõikamata. Topoloogilisi isolaatoreid stabiliseerib nende enda topoloogia, mis ei muuda oma omadusi isegi siis, kui tekitada neis häiritus.
Seesugune kaitse tekib topoloogiliste olekute ajavoolu sümmeetria tõttu, mis tähendab, et süsteem käitub hoolimata ajavoolu suunast ja kiirusest ikka samamoodi. Tavaelu makroskoopilises maailmas me harilikult seda ei kohta. Ükskõik mitu korda videot tagasi kerida, liiguvad kujutised seal ikka teistmoodi kui videolinti edasi kerides. Topoloogilise isolaatori puhul oleks nähtav pilt kummalgi juhul ikka samasugune.
Selle tulemusena ei teki materjali ebapuhtuse tõttu elektronide hajumist, mis kutsuks esile topoloogilise oleku hävinemise. Muidugi senikaua kuni võõrlisand ei tekita magnetilist häiritust, sest magnetväljad rikuvad harilikult ajavoolu sümmeetria.
Efekt põhineb kvantfüüsikal, kus ajavoo sümmeetria korral saab elektron materjali rikutuse korral liikuda selle ümber nii kellaosuti liikumise suunas kui ka vastupidi. Siiski oleks ebatäpne ettekujutada elektroni liikumist poolkaarena – elektron võib valida ümber defekti minemiseks ükskõik millise teekonna. Lõppkokkuvõttes nullivad aga kõik rajad üksteist ära – seega on kogu tõenäosus, et osake hajub, täpselt null.
Hoolimata sellest, kui põnevad need eksperimendid ka tunduda võiksid, on see alles algus. Järgmise sammuna tuleb näidiste kvaliteeti veelgi parandada, et saaks kinnitada ainult topoloogilistele isolaatoritele iseloomulikke nähtusi nagu kvantspinni Halli efekt.
Samuti ootab teoreetiline füüsika mitmete teiste eksootiliste efektide eksperimentaalset kinnitamist, nagu näiteks Majorana fermionide teket, mis ilmneb topoloogiliste isolaatorite ja ülijuhtide kokkupuutel. Ebaharilikud fermionid on iseenda antiosakesed. Kondensfüüsika maailmas on aga uus pidu alles alanud.
Töörühma uurimus ilmus 13. augustil ajakirjas Science.
Loe lisaks:
Uncertain Principles: “What’s a Topological Insulator?”
Nature: “Topological insulators: Star material.”
Artiklid portaalis PhysOrg