Вчені виявили перший одновимірний топологічний ізолятор

Вчені визначили одновимірний топологічний ізолятор, який може революціонізувати квантові обчислення та ефективність сонячних батарей. Це революційне відкриття прокладає шлях до прогресу у квантових обчисленнях і ефективності сонячних батарей.

Дослідники виявили новий топологічний ізолятор (TI), унікальний стан речовини, який відрізняється від звичайних металів, ізоляторів і напівпровідників. На відміну від більшості відомих ТІ, які є або тривимірними, або двовимірними, цей ТІ є одновимірним. Очікується, що ця новаторська робота сприятиме розвитку кубітів і високоефективних сонячних батарей.

Дослідження, проведене вченими з Університету Тохоку, Університету Осаки, Університету Кіото Сангіо, Дослідницької організації прискорювачів високих енергій (KEK) і Національного інституту квантової науки та технологій, було опубліковано в журналі Nature.

Прорив у потенціалі квантових обчислень

TI мають внутрішню частину, яка поводиться як електричний ізолятор, тобто електрони не можуть легко рухатися; Тоді як його поверхня діє як електричний провідник, при цьому електрони можуть рухатися по поверхні. З моменту появи тривимірних TI у 2000-х роках дослідники шукали нові. Однак одновимірні TI залишаються в основному невловимими.

«Одновимірні TI особливо цікаві, тому що електричні заряди, які з’являються на їхніх кінцевих точках, фактично утворюють кубіти – основну одиницю інформації в квантових обчисленнях. І, отже, життєво важливий для квантової фізики», — зазначає Косуке Накаяма, доцент Вищої школи науки Університету Тохоку та співавтор дослідження.

Методологія дослідження

Накаяма та його колеги зосередили свою увагу на телурі (Te), напівпровіднику, який в основному комерційно використовується в сонячних панелях і термоелектричних пристроях. Нещодавні теоретичні прогнози припустили, що одинарні спіральні ланцюги насправді можуть бути одновимірними TI. Щоб перевірити це, команді потрібно було спостерігати за електричними зарядами, обмеженими кінцевими точками цих ланцюгів.

Це вимагало підготовки чистих країв ланцюгів Те без структурних пошкоджень, що стало можливим завдяки використанню нещодавно розробленої системи іонно-променевої системи газових кластерів (GCIB), яка може модифікувати поверхні з точністю до нанометра. Потім вони візуалізували просторовий розподіл електричних зарядів за допомогою фотоемісійної спектроскопії з кутовим розділенням (ARPES) з мікрофокусованим променем. Їхні дослідження підтвердили, що електричні заряди справді з’являються на кінцях ланцюгів, таким чином підтверджуючи одновимірну природу TI Te.

Наслідки для технологій майбутнього

Накаяма підкреслив, що їхні дослідження знаменують собою важливий крок до розуміння властивостей одновимірних TI і матимуть багато переваг. «Заряди на кінцевих точках одновимірних TI мають різноманітне застосування: кубіти, високоефективні сонячні елементи, високочутливі фотодетектори та нанотранзистори. Наше відкриття одновимірного TI допоможе прискорити дослідження в напрямку реалізації цих програм».