Topologiske isolatorer kunne eksistere i seks nye typer, der ikke var set før. Resultaterne kan hjælpe med at give indsigt i kvantefysik.
MIT fysikprofessor Senthil Todadri siger, at den usædvanlige elektriske opførsel af materialer, der kaldes topologiske isolatorer, minder ham om dette maleri fra 1915 af den russiske kunstner Kazimir Malevich, kaldet “Black Circle”, fordi det eneste træk, der er interesseret i maleriet, er grænsen mellem den sorte cirkel og den hvide baggrund I topologiske isolatorer foregår al den betydelige elektriske aktivitet lige på overfladen, ikke indvendigt. Billedtekst af David Chandler. Billede via MIT News Office
Topologiske isolatorer er materialer, hvis overflader frit kan lede elektroner, selvom deres indre er elektriske isolatorer. Et team af forskere ved MIT har nu udført en detaljeret analyse af disse materialer, der antyder eksistensen af seks nye slags af topologiske isolatorer. Resultaterne er interessante for fysikere, fordi topologiske isolatorer har usædvanlige egenskaber, der kan give indsigt i kvantefysik.
Arbejdet forudser også materialernes fysiske egenskaber i tilstrækkelig detalje til, at det burde være muligt at identificere de seks nye slags topologiske isolatorer utvetydigt, hvis de produceres i laboratoriet, siger forskerne.
De nye fund rapporteres denne uge i tidsskriftet Videnskab af MIT-professor i fysik Senthil Todadri, kandidatstuderende Chong Wang og Andrew Potter, en tidligere MIT-kandidatstuderende, der nu er postdoc ved University of California i Berkeley.
”I modsætning til konventionelle isolatorer har overfladen af de topologiske isolatorer eksotisk fysik, der er interessant både for grundlæggende fysik og muligvis til anvendelser,” siger Senthil. Men forsøg på at undersøge egenskaberne ved disse materialer har "været afhængige af en meget forenklet model, hvor elektronerne inde i det faste stof behandles, som om de ikke interagerede med hinanden." Nye analyseværktøjer anvendt af MIT-teamet afslører nu "at der er seks og kun seks nye typer topologiske isolatorer, der kræver stærke elektron-elektron-interaktioner. ”
”Overfladen på et tredimensionelt materiale er to-dimensionelt,” siger Senthil - hvilket forklarer, hvorfor den elektriske opførsel af overfladen på en topologisk isolator er så forskellig fra den indre. Men, tilføjer han, ”Den slags to-dimensionelle fysik, der dukker op, kan aldrig være i et to-dimensionelt materiale. Der skal være noget inde, ellers vil denne fysik aldrig forekomme. Det er det, der er spændende ved disse materialer, ”som afslører processer, der ikke vises på andre måder.
Faktisk, siger Senthil, viser dette nye arbejde, der er baseret på analyse af sådanne overfladefænomener, at nogle tidligere forudsigelser af fænomener i todimensionelle materialer "ikke kan stemme."
Da dette er en ny konstatering, siger han, er det for tidligt at sige, hvilke anvendelser disse nye topologiske isolatorer måtte have. Men analysen giver detaljer om forudsagte egenskaber, der skulle give eksperimentelle mulighed for at begynde at forstå opførslen af disse eksotiske tilstande.
”Hvis de findes, ved vi, hvordan vi kan opdage dem,” siger Senthil om disse nye faser. ”Og vi ved, at de kan eksistere.” Hvad denne undersøgelse endnu ikke viser, er, hvad disse nye topologiske isolatorers sammensætning kan være, eller hvordan man kan skabe dem.
Det næste skridt, siger han, er at forsøge at forudsige ”hvilke sammensætninger der kan føre til” disse nyligt forudsagte faser af topologiske isolatorer. ”Det er et åbent spørgsmål nu, hvor vi er nødt til at angribe.”
Via MIT News