Topologische Isolatoren könnten in sechs neuen Typen existieren, die vorher nicht gesehen wurden. Die Ergebnisse könnten Einblicke in die Quantenphysik ermöglichen.
Senthil Todadri, Physikprofessor am MIT, sagt, das ungewöhnliche elektrische Verhalten von Materialien, die als topologische Isolatoren bezeichnet werden, erinnere ihn an dieses Gemälde des russischen Künstlers Kasimir Malewitsch von 1915 mit dem Titel „Schwarzer Kreis“, da das einzige interessante Merkmal des Gemäldes die Grenze zwischen dem schwarzen Kreis und ist der weiße Hintergrund. In topologischen Isolatoren findet die gesamte signifikante elektrische Aktivität nur an der Oberfläche statt, nicht im Inneren. Bildunterschrift von David Chandler. Bild über MIT News Office
Topologische Isolatoren sind Materialien, deren Oberflächen Elektronen frei leiten können, obwohl ihre Innenräume elektrische Isolatoren sind. Ein Forscherteam am MIT hat nun eine detaillierte Analyse dieser Materialien durchgeführt, die auf die Existenz von hinweist sechs neue Arten von topologischen Isolatoren. Die Ergebnisse sind für Physiker interessant, da topologische Isolatoren ungewöhnliche Eigenschaften aufweisen, die Einblicke in die Quantenphysik ermöglichen können.
Die Arbeit sagt auch die physikalischen Eigenschaften des Materials so detailliert voraus, dass es möglich sein sollte, die sechs neuen Arten von topologischen Isolatoren eindeutig zu identifizieren, wenn sie im Labor hergestellt werden, so die Wissenschaftler.
Die neuen Erkenntnisse werden diese Woche im Journal veröffentlicht Wissenschaft von Senthil Todadri, Professor für Physik am MIT, Doktorand Chong Wang, und Andrew Potter, ehemaliger Doktorand am MIT, der jetzt Postdoc an der University of California in Berkeley ist.
„Im Gegensatz zu herkömmlichen Isolatoren birgt die Oberfläche der topologischen Isolatoren eine exotische Physik, die sowohl für die Grundlagenphysik als auch möglicherweise für Anwendungen interessant ist“, sagt Senthil. Versuche, die Eigenschaften dieser Materialien zu untersuchen, haben sich "auf ein stark vereinfachtes Modell gestützt, bei dem die Elektronen im Festkörper so behandelt werden, als ob sie nicht miteinander wechselwirken." sind sechs und nur sechs neue Arten von topologischen Isolatoren, die starke Elektron-Elektron-Wechselwirkungen erfordern. “
„Die Oberfläche eines dreidimensionalen Materials ist zweidimensional“, erklärt Senthil, weshalb sich das elektrische Verhalten der Oberfläche eines topologischen Isolators so stark von dem des Innenraums unterscheidet. Aber er fügt hinzu: „Die Art der zweidimensionalen Physik, die entsteht, kann niemals in einem zweidimensionalen Material vorkommen. Es muss etwas drin sein, sonst wird diese Physik niemals auftreten. Das ist das Spannende an diesen Materialien “, die Prozesse aufzeigen, die auf andere Weise nicht sichtbar sind.
Laut Senthil zeigt diese neue Arbeit, die auf der Analyse solcher Oberflächenphänomene basiert, dass einige frühere Vorhersagen von Phänomenen in zweidimensionalen Materialien „nicht richtig sein können“.
Da dies eine neue Erkenntnis sei, sei es noch zu früh zu sagen, welche Anwendungen diese neuen topologischen Isolatoren haben könnten. Die Analyse liefert jedoch Details zu vorhergesagten Eigenschaften, die es Experimentatoren ermöglichen sollten, das Verhalten dieser exotischen Materiezustände zu verstehen.
"Wenn sie existieren, können wir sie erkennen", sagt Senthil über diese neuen Phasen. "Und wir wissen, dass sie existieren können." Was diese Forschung jedoch noch nicht zeigt, ist, wie die Zusammensetzung dieser neuen topologischen Isolatoren aussehen könnte oder wie man sie herstellt.
Der nächste Schritt bestehe darin, vorherzusagen, „zu welchen Zusammensetzungen diese neu vorhergesagten Phasen topologischer Isolatoren führen könnten“. "Es ist jetzt eine offene Frage, dass wir angreifen müssen."
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