{"id":27453,"date":"2012-05-18T00:26:04","date_gmt":"2012-05-17T21:26:04","guid":{"rendered":"http:\/\/www.fyysika.ee\/uudised\/?p=27453"},"modified":"2012-05-18T00:26:04","modified_gmt":"2012-05-17T21:26:04","slug":"topoloogilised-isolaatorid-pakuvad-toatemperatuursele-spintroonikale-uusi-arenguteid","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.fyysika.ee\/?p=27453","title":{"rendered":"Topoloogilised isolaatorid pakuvad toatemperatuursele spintroonikale uusi arenguteid"},"content":{"rendered":"

Alles m\u00f5ne aasta eest Lawrence Berkeley Rahvusvahelises Laboratooriumis avastatud tugevad 3D topoloogilised isolaatorid on n\u00fc\u00fcd \u00fcle maailma kujundamas tahkisef\u00fc\u00fcsika laborite uurimissuundi. N\u00e4iliselt lihtsatel pooljuhtidel on avastatud paljut\u00f5otavad omadused. N\u00e4iteks v\u00f5ib ette kujutada head elektrijuhtivusega ainet, mille ristl\u00e4bil\u00f5ike keskmes asub isolaatortsoon, umbes nagu vasega kaetud tennisepall.<\/strong><\/p>\n

\"\"<\/a>

Topoloogilise isolaatori pinnaelektronid saavad kulgeda v\u00e4ikese takistusega, osalt t\u00e4nu v\u00e4heintensiivsele elektron-foonon interaktsioonile. Elektronide spinn ja liikumissuund on l\u00e4hedalt seotud; liikumissuund ning pinnolek m\u00e4\u00e4ravad teineteist vastastikku.<\/p><\/div>\n

Topoloogilise isolaatori pind ei ole nagu harilikul metallil. Selle pinnaelektronide suund ning spinn on omavahel s\u00f5ltuvuses, ja teiste laengukandjatega pidevas ansamblilises muutumises. Teadlasi on \u00fcllatanud, et pinnaelektrone ei saa defektide v\u00f5i sarnaste h\u00e4iretega hajutada, mist\u00f5ttu on elektriline takistus v\u00e4ike. Seda seletatakse pinnaolekute topoloogilise kaitstusega (topologically protected), milles ei ole hajumine ilma kvatmehaanika seadusi rikkumata v\u00f5imalik.<\/p>\n

\u201e\u00dcks viis elektronide liikumise takistamiseks on nende hajutamine pinnafoononitel. Foononid on kristalliliste materjalide kvantiseeritud v\u00f5rev\u00f5nkumised, mida kirjeldatakse matemaatiliselt osakestena. T\u00f6\u00f6 topoloogiliste isolaatoritega on ise\u00e4ranis paljulubav, sest pinnaelektronide ning foononite interaktsioon on vaevum\u00e4rgatav, mis on spintroonika tehnoloogiat silmas pidades igati soodus,\u201c kommenteeris Berkeley laboratooriumi ALS (Advanced Light Source, loe siit<\/a>) teadlane Alexis Fedoro.<\/p>\n

Topoloogilise isolaatori pindjuhtivuse m\u00f5\u00f5tmisel tuleb esmalt kehva elektrijuhtivusega \u00fcldmassist eristada selle pind. \u00dcht v\u00f5imalikest tehnikatest on nurk-resolutsiooniga fotoemissioonspektromeetria (ARPES).<\/p>\n

ARPES heidab sarnaselt ALS projektile\u00a0uuritavale materjalile intensiivse valgusvoo ning j\u00e4\u00e4dvustab selle pinnast footonitega lahti l\u00f6\u00f6dud elektrone. Elektronide langedes CCD deketorile on v\u00f5imalik nende leviku nurga ning energia abil korduvm\u00f5\u00f5tmiste teel graafiliselt rekonstrueerida uuritava materjali pinnaelektronstruktuur.<\/p>\n

\u201eARPES-i kiirtejoal numbriga 12.0.1 tundub olevat topoloogiliste isolaatorite uurimiseks ideaalne energia,<\/p>\n

\"\"<\/a>

ARPES kaardistab pinnaelektronide struktuuri, aga ka juhtivustsoonide kihtstruktuuri ning topoloogilise isolaatori vismut-seleniidi Fermi pinna. Sarnaselt grafeenile kohtub topoloogilise isolaatori madalama energiaga juhtivustsoon k\u00f5rgema energiaga juhtivustsooniga nn. Diraci punktis. \u00dcleminek \u00fchelt tsoonilt teisele on pidev ning otsene keelutsoon puudub. Erinevalt grafeenist ei l\u00e4bi Bi2Se3 Fermi pind Diraci punkti (grafeenil Brillouin punkti \u00e4\u00e4rispunktid). Eraldiseisvad spinn-olekud (m\u00e4rgitud punase noolega) seostuvad iga eri impulsiruumi punktiga (paremal).<\/p><\/div>\n

resolutsiooni ja voo tasakaal. Sama juga kasutati ka esimestel eksperimentidel, mis 3D topoloogiliste isolaatorite olemasolu kinnitasid. Paljud teadusr\u00fchmad on sellest ajast j\u00e4tkanud nende huvitavate materjalide omaduste uurimist,\u201c kommenteeris Fedorov. ARPES eksperimendi raames materjalist v\u00e4ljutatud elektronide abil on v\u00f5imalik otseselt kaardistada materjali valents- ja keelutsoonid ning vabade laengukandjate paigutus nendes.<\/p>\n

Isolaatoritel on laiad keelutsoonid, pooljuhtidel aga kitsamad. Bi2<\/sub>Se3 <\/sub>sarnaste topoloogiliste isolaatorite pinnaolekute juhtivus- ja keelutsoonide struktuur moodustab kahe tippudega telgs\u00fcmmetriliselt \u00fchendatud koonuse kujutise. Koonuste puutepunkti nimetatakse Diraci punktiks. Topoloogias puudub keelutsoon ja \u00fcleminek juhtivustsoonile on pidev. Grafeenil, mis on \u00fche aatomkihi paksune planaane materjal, on sarnane struktuur. ARPES tsoonstruktuuri diagrammid moodustavad mainitud koonusstruktuuri s\u00fcmmeetriatelje sihilise l\u00e4bil\u00f5ike, mis on tsentreeritud Diraci punktile.<\/p>\n

Olgugi, et grafeen ning topoloogilised isolaatorid omavad sarnast kihtstruktuuri, on nende \u00fclej\u00e4\u00e4nud eletrilised omadused v\u00e4ga erinevad. Kiiruste ja spinnorientatsioonide eri kombinatsioonid on ekvivalentsed absoluutsel nulltemperatuuril olevate k\u00f5rge energiaga osakestega. Taolised osakesed moodustavad materjali impulsiruumi, mida kaardistab Fermi pind. Grafeeni Fermi pind asetseb risti s\u00fcmmeetriateljega koonuste l\u00f5ikepunktis. Bi2<\/sub>Se3 <\/sub>puhul l\u00f5ikub aga Fermi pind juhtivustsooni koonusega nii, et l\u00f5ikepind moodustab ideaalse ringi. Ringtrajektoor oleks topoloogilise isolaatori pinnale joonistatud justkui selleks, et n\u00e4idata spinn-lukustatud pinnaelektronidele ette, kuidas radapidi liikudes spinn orientatsiooni muuta.<\/p>\n

APRES moodustatud diagramidest saab muuhulgas arvutada elektron-foonon paardumisi. M\u00f5\u00f5tmised Bi2<\/sub>Se3 <\/sub>substraadil on n\u00e4idanud, et nimetatud interaktsioon on selles \u00fcks n\u00f5rgimaid mistahes seni m\u00f5\u00f5detud materjaleist, seda isegi toatemperatuuril.<\/p>\n

\u201eUurida on veel palju. Pea olematu elektron-foonon interaktsioon t\u00e4hendab, et Bi2<\/sub>Se3 <\/sub>on praktilisteks rakendusteks sobilik materjal,\u201c s\u00f5nas Fedorov. Edasise progressi korral v\u00f5ivad topoloogiliste isolaatorite toatemperatuursed elektronide spin-lukustatud olekud olla v\u00f5tmeks tuleviku spintroonikaseadmetele, aga ka muudele eksootilistele tehnoloogilistele lahendustele.<\/p>\n

N\u00e4iteks on teoreetiliselt v\u00f5imalik \u00fclijuhtiva materjali kihtsadestamisel topoloogilise isolaatori pinnale luua osake, mis on \u00fchtlasi enese antiosake. Lisaks oleks osakesel komposiitmaterjali keskkonnas pikk eluiga, mis on osakeste ning antiosakeste puhul harv n\u00e4he. Taoliste Majorana-fermionide avastamine oleks omaette saavutus, ning v\u00f5imaldaks potentsiaalselt \u00fcle saada kvantarvutite arengut seni enimh\u00e4irivast probleemist, milleks on andmetalletus kvantbittide kujul.<\/p>\n

Allikas: PhysOrg<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Alles m\u00f5ne aasta eest Lawrence Berkeley Rahvusvahelises Laboratooriumis avastatud tugevad 3D topoloogilised isolaatorid on n\u00fc\u00fcd \u00fcle maailma kujundamas tahkisef\u00fc\u00fcsika laborite uurimissuundi. N\u00e4iliselt lihtsatel pooljuhtidel on avastatud paljut\u00f5otavad omadused. N\u00e4iteks v\u00f5ib ette kujutada head elektrijuhtivusega ainet, mille ristl\u00e4bil\u00f5ike keskmes asub isolaatortsoon, umbes nagu vasega kaetud tennisepall. Topoloogilise isolaatori pind ei ole nagu harilikul metallil. Selle pinnaelektronide […]<\/p>\n","protected":false},"author":449,"featured_media":27454,"comment_status":"open","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_genesis_hide_title":false,"_genesis_hide_breadcrumbs":false,"_genesis_hide_singular_image":false,"_genesis_hide_footer_widgets":false,"_genesis_custom_body_class":"","_genesis_custom_post_class":"","_genesis_layout":"","footnotes":""},"categories":[16],"tags":[45,137,147],"class_list":{"0":"post-27453","1":"post","2":"type-post","3":"status-publish","4":"format-standard","5":"has-post-thumbnail","7":"category-teadusuudis","8":"tag-grafeengrafaan","9":"tag-kvantnahtused","10":"tag-nanotehnoloogia","11":"entry"},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/27453","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/users\/449"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcomments&post=27453"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/27453\/revisions"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/media\/27454"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fmedia&parent=27453"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcategories&post=27453"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.fyysika.ee\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Ftags&post=27453"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}