Топологические изоляторы – новое состояние вещества

В 2016 году Нобелевская премия по физике была присуждена трем американским ученым: Дункану Холдейну, Джону Костерлицу и Дэвиду Тулессу за «теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи». Мы хотим познакомить вас с этой малопонятной фразой, рассказав увлекательную историю о том, как были изучены различные аспекты электропроводности и к чему это привело.

Люди собирали янтарь с незапамятных времен. Первое письменное упоминание о том, что янтарь, натертый на шерсть, притягивает мелкие кусочки полотна и других веществ, принадлежит греческому философу. Фалес Милетский, примерно 600 г. до н.э. Современное слово и его производные происходят от греческого названия янтаря «электрон» (ελεκτρον).

В начале XVII века английский натуралист Уильям Гилберт Он заметил, что не только янтарь, но и многие другие вещества можно «наэлектризовать» при трении. Сто лет спустя самоучка Стивен Грей в Англии вместе со своим французским другом он показал, что электричество, полученное при трении стеклянной палочки, может передаваться на большие расстояния через металлы и влажные нити, которые они оба назвали проводники электричества. В своих первых экспериментах они располагали проводники электричества вертикально, потому что электричество тогда представлялось чем-то вроде жидкости, которая просто течет сверху вниз. Наконец, Грей провел электричество горизонтально из одной части своего сада в другую, используя влажную оберточную веревку, подвешенную к шелковым непроводящим петлям.

Лауреаты Нобелевской премии по физике 2016 г.: Д. Д. Тулесс, Ф. Д. Холдейн, Дж. М. Костерлиц.

Электрон как носитель тока

Сегодня огромное количество электричества передается по нитям тонких алюминиевых проводов, подвешенных к высоким стальным столбам. Носителями этой энергии являются невообразимо малые частицы материи – электроны – наделен отрицательным электрическим зарядом, который мы называем элементарным, потому что он уже не может быть разделен на более мелкие части. Эти электроны отделились от своих атомов проводящей проволоки-хозяина и почти свободно перемещаются внутри металла. Металл сопротивляется протеканию электрического тока, так как электроны, вынужденные двигаться направленно, постоянно рассеиваются в результате столкновений с дефектами правильного расположения родительских атомов, например с посторонними примесями. Но электрон ведет себя не просто как массивная частица материи, вроде миниатюрного бильярдного шара. Квантовая механика учит, что электрон — по крайней мере, когда его не наблюдают — ведет себя как волна и подвержен волноподобным явлениям интерференции. Более того, электрон наделен дополнительным квантовым свойством, называемым спинемблагодаря чему он также ведет себя как миниатюрный магнит.

Электрическое сопротивление — специфическое свойство проводника, зависящее от вида вещества, из которого он изготовлен, а также его длины и сечения. Даже в XNUMX веке Георг Ом он сформулировал в Германии закон, определяющий величину потока электронов, т. е. силу электрического тока, в зависимости от приложенного к проводнику напряжения и его сопротивления. Закон Ома является одним из фундаментальных законов физики и электротехники. В знак признания заслуг Ома его имя чествовали двояко — сначала именем единицы электрического сопротивления, а более чем столетие спустя… названием одного из кратеров на Луне. Наличие электрического сопротивления вызывает огромные потери энергии в силовых сетях, поэтому электрические кабели делают из меди или, что гораздо экономичнее, из алюминия; материалов с низким удельным сопротивлением.

Электрическое сопротивление исчезает.

Между тем в 1911 году голландский ученый Камерлинг Оннес он обнаружил, что некоторые металлы, например свинец, при охлаждении до температуры, близкой к абсолютному нулю (-273 °С), полностью теряют электрическое сопротивление. Это явление, называемое сверхпроводимость, оставалось загадкой почти полвека. Стало понятно, что сверхпроводящие электроны должны находиться в каком-то необычном состоянии взаимной корреляции, когда движение одного электрона коррелирует с движением других. Только тогда практически невозможно рассеять один электрон, так как это изменит движение всех остальных. Квантовая механика предсказывает такую ​​коллективную когерентность огромного количества частиц определенного типа, напр. фотоныкогда все они находятся в одном и том же квантовом состоянии. Но электроны из-за величины их спина принадлежат к другой категории частиц, называемой фермионамикоторые избегают друг друга и не могут находиться в одном и том же состоянии одновременно.

Только в 1957 г. Джон Бардин, Леон Купер i Джон Шиффер в США объяснили явление сверхпроводимости, за что были удостоены Нобелевской премии. Они показали, что при благоприятных условиях между парами удаленных электронов с противоположными спинами может появиться небольшая сила притяжения, компенсирующая электрическое отталкивание, из-за чего такая пара ведет себя как единая частица, которая уже не принадлежит к категории фермионов. При достаточно низкой температуре все пары переходят в одно и то же состояние с наименьшей энергией, создавая своеобразный когерентный конденсат, ответственный за сверхпроводимость. К сожалению, из-за необходимости использования жидкого гелия для достижения критической температуры, ниже которой возникает сверхпроводимость, металлические сверхпроводники не нашли значительного применения в энергетике.

Парящие поезда

Неожиданно в 1986 г. Георг Беднорц i Алекс Мюллер из исследовательского центра IBM в Рюшликоне, недалеко от Цюриха, обнаружили, что определенная керамика становится сверхпроводящей при гораздо более высокой температуре, чем ранее известные сверхпроводники. Была надежда производить сверхпроводящие материалы при комнатной температуре. Различные исследовательские группы по всему миру стали получать материалы со все более высокими критическими температурами. Передача электроэнергии без потерь, более эффективные двигатели и генераторы, работающие на сверхпроводящих элементах, в принципе могли быть реализованы уже при температуре жидкого азота, являющегося дешевой и широко доступной жидкостью.

Однако получить сверхпроводящие материалы при комнатной температуре не представлялось возможным. Но главным препятствием для широкого применения этих новых высокотемпературных сверхпроводников оказалась хрупкая керамика, и превратить их в тонкие провода, используемые в электротехнике, — задача практически невыполнимая. Между тем уже изобретены различные устройства, в которых успешно используются высокотемпературные сверхпроводники. Запуск 31 декабря 2000 года в Китае стал выдающимся достижением. первого поезда «маглев» с использованием высокотемпературных сверхпроводников. Маглев (от магнитной левитации) — это поезд, вагоны которого благодаря магнитной левитации парят над специальными путями, позволяя развивать скорость до 600 км/ч. (Советую посмотреть: “Шанхайский маглев” на YouTube…).

Топологические изоляторы

И, наконец, хит сезона! В 2016 году трое американских ученых – Дункан Холдейн, Джон Костерлиц i Дэвид Тулз – были удостоены Нобелевской премии за теоретические работы, выполненные в 70-х и 80-х годах. Только в последнее десятилетие они стали предметом большого интереса и увлечения физиков благодаря неожиданному открытию, сделанному ими в 2005 г. Чарльз Кейн i Юджин Меле из Университета Пенсильвании. Они теоретически показали, что на поверхности некоторых полупроводниковых кристаллов может появиться металлическая проводимость с необычными свойствами. Эти материалы получили название топологические изоляторы.

Кристалл топологического изолятора SnTe, выращенный в Институте физики ПАН доктором С. Анджей Щербаков

Само название «топологические изоляторы» вводит в двойное заблуждение. Прежде всего, эти материалы являются не изоляторами, а хорошими проводниками электричества, у которых по их поверхности протекает ток с определенными свойствами. Во-вторых, их форма не имеет ничего общего с топологией. Говоря о топологии, чашу и тор обычно изображают как топологически эквивалентные фигуры. Если бы эти предметы были сделаны из пластилина, то можно было бы, разминая его, переходить от одной формы к другой, не разрывая и не склеивая материал, сохраняя при этом соответствующее отверстие. Ну а в случае с топологическими изоляторами форма материала не имеет значения, хотя изначально рассматривались только очень тонкие слои материалов, с которыми можно было обращаться как с двумерными объектами. Прилагательное «топологический» относится только к свойствам некоторых математических преобразований, лежащих в основе теории этих материалов.

Спин электрона играет ключевую роль в топологических изоляторах, что заставляет электрон вести себя как миниатюрный магнит. Электрон, вращающийся вокруг ядра атома, создает магнитное поле, которое, в свою очередь, действует на собственный магнитный момент. В учебниках по физике такое взаимодействие называется спин-орбитальное взаимодействие. Это важно во многих физических явлениях и играет уникальную роль в топологических изоляторах. Добавим, что согласно специальной теории относительности движущийся электрон чувствует магнитное поле даже тогда, когда он не вращается вокруг ядра атома; достаточно, чтобы он двигался перпендикулярно направлению электрического поля, например, на поверхности полупроводника.

Новое состояние вещества

Поверхностные токи вокруг топологического изолятора; черные стрелки символизируют спин электрона

Так, в кристаллах некоторых полупроводниковых соединений и сплавов, таких как, например, Bi2Se3, в которых наблюдается очень сильное спин-орбитальное взаимодействие, на их поверхности появляется металлическая проводимость с необычными свойствами. Направление спина электрона тесно связано с направлением движения электрона, что, в свою очередь, приводит к тому, что электроны, движущиеся по поверхности и подверженные явлению волновой интерференции, устойчивы к обратному рассеянию. Если такой электрон сталкивается с дефектом, он мягко «обходит его» и продолжает двигаться в своем первоначальном направлении. Поэтому сопротивление току, переносимому этими электронами, очень мало. Это лишь одна, хотя и очень важная особенность этих материалов. На самом деле поверхность таких кристаллов, проявляющая свойства необычного металла, представляет собой новое – необычное – состояние материи. Его открытие положило начало увлекательной области исследований, которая быстро развивается, и сегодня неизвестно, к каким еще открытиям и практическим применениям оно приведет. Теория предсказывает, в частности, появление экзотических квазичастиц в топологическом изоляторе, в т.ч. гипотетические майорановские фермионыкоторые могут быть использованы для вычислений в будущих квантовых компьютерах. Теория также предсказывает возможность создания магнитная монополияв то время как каждый реальный магнит является диполем – он имеет два магнитных полюса, условно называемые северным и южным, которые не могут быть разделены. Перспективна и возможность использования этих материалов в спинтронике – перспективном виде электроники, где роль заряда электрона заменяется его спином.

Тем временем в 2011 году американский физик Лян Фу из Массачусетского технологического института теоретически предсказал, что могут существовать материалы, обладающие свойствами топологического изолятора, которые не требуют сильного спин-орбитального взаимодействия. Его роль заменяет соответствующая симметрия расположения атомов на поверхности кристалла. Они были названы кристаллические топологические изоляторы. Год спустя такой материал был получен в Институте физики Польской академии наук в Варшаве группой под руководством проф. Томаш Сторегу. Это был тройной кристалл из атомов свинца, олова и селена. В различных лабораториях мира начался интенсивный поиск новых материалов этого класса. К таким материалам также относится простое полупроводниковое соединение SnTe, кристаллизованное в Институте физики Польской академии наук. Пока посылаю этот текст в редакцию, в одном из самых престижных научных журналов – “Наука” – была опубликована совместная статья ученых из группы проф. Storego и их немецкие коллеги из Вюрцбургского университета, которые сообщили об обнаружении своеобразных одномерных топологических состояний, возникающих на ступенчатой ​​поверхности полученного кристалла.

Станет ли топологическая материя прорывом в развитии современных информационных технологий? Это еще предстоит увидеть. Огромный интерес к этой теме стимулирует сегодня динамичное развитие физики конденсированного состояния и смежных дисциплин.