Fysikere studerer magnetiske urenheder i topologiske isolatorer

En gruppe fysikere fra MIPT og Landau Institute for Theoretical Physics fra det russiske videnskabsakademi er nu et skridt tættere på at finde applikationer til topologiske isolatorer - materialer med bemærkelsesværdige elektriske egenskaber, som indtil for nylig blev betragtet som blot hypotetiske. Forskerne fik indsigt i samspillet mellem atomerne i magnetiske urenheder i sådanne materialer.

Topologiske isolatorer er en stor opdagelse af det 21. århundredes fysik. De blev først forudsagt teoretisk og først derefter observeret eksperimentelt. Størstedelen af ​​sådanne materialer udviser typisk halvlederadfærd. Men deres egenskaber på overfladen (ved kanten) ligner meget metaller. For eksempel, elektrisk strøm kan flyde frit på deres overflader. Deres unikke egenskaber forventes at være nyttige til opbygning af elektroniske kredsløb med minimalt varmetab, kvantecomputere, og andre avancerede enheder.

Imidlertid, at lave praktiske enheder baseret på topologiske isolatorer, det er nødvendigt at forstå, hvordan deres egenskaber påvirkes af strukturelle ufuldkommenheder, såsom tilstedeværelse af atomer med et magnetisk moment uden nul. Atoms magnetiske moment karakteriserer styrken af ​​det magnetfelt, som atomet er i stand til at skabe.

Interaktionen mellem atomer med magnetiske momenter - disse omfatter jern og mangan - er blevet undersøgt i mange undersøgelser. Det kan forekomme i metaller og kaldes derefter Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida-interaktionen, til ære for de fire teoretiske fysikere, der studerede det allerede i midten af ​​1950'erne. Det forekommer også i halvledere, i så fald er det kendt som den indirekte udvekslingsinteraktion. Denne type blev oprindeligt teoretisk undersøgt af Bloembergen og Rowland i 1955. Et andet vigtigt bidrag til undersøgelsen af ​​den indirekte udvekslingsinteraktion blev leveret af A. Abrikosov, en sovjetisk og amerikansk fysiker og nobelprismodtager, der behandlede de grundlæggende spørgsmål om kondenseret stofs fysik. Forståelse af den indirekte udvekslingsinteraktion – dvs. bindingsenergien mellem magnetiske atomer og dets afhængighed af temperatur og afstanden mellem atomerne - gør det muligt for forskere at forudsige, hvordan disse atomers magnetiske øjeblikke vil blive justeret ved lave temperaturer i et givet materiale.

I deres nye papir, som blev offentliggjort i Fysisk gennemgang B , forskerne undersøgte interaktionen mellem atomer med magnetiske momenter uden nul nær kanten af ​​en todimensionel topologisk isolator. Igor Burmistrov, en forsker ved Landau Institute for Theoretical Physics, og Pavel og Vladislav Kurilovich, studerende ved sektionen for problemer i teoretisk fysik på Institut for Almindelig og Anvendt Fysik, MIPT, studeret den indirekte udvekslingsinteraktion mellem manganatomer i en todimensionel topologisk isolator baseret på en CdTe/HgTe/CdTe kvantebrønd.

Forestillingen om en "kvantebrønd" betyder, at et tyndt lag kviksølv tellurid, eller HgTe, er klemt mellem to lag cadmiumtellurid, CdTe. De to forbindelser har forskellige kvanteegenskaber, der begrænser elektroner til kviksølvtelluridlaget. De er, på en måde, fanget i bunden af ​​brønden og ude af stand til at komme ud, medmindre de tilfældigvis har en bestemt energi.

Burmistrov siger, "De to atomer med magnetiske øjeblikke kan interagere på forskellige måder, afhængigt af deres positioner:Hvis begge er tæt på kanten, de opfører sig som om de var i et metal, men når de begge er placeret væk fra kanten, de interagerer, som de gør i en halvleder. "

Forskeren forklarede også, hvad der gør todimensionale topologiske isolatorer specielle:"I en todimensionel topologisk isolator, kvasipartikler bevæger sig i et plan, fordi størrelses-kvantiseringsenergien er højere i kvantebrønden. "Et system kaldes kvantiseret, når dets energi kun kan antage diskrete værdier, og størrelseskvantisering refererer til, når dette opstår på grund af systemets begrænsede størrelse. Partikler i tynde film opfører sig på måder, der er anderledes end, hvordan de opfører sig i klassiske systemer, såsom et stykke kobbertråd eller en halvlederkrystal.

Den teoretiske analyse, mest vigtigt, resulteret i forudsigelsen af ​​en ny type indirekte udvekslingsinteraktioner mellem atomer med magnetiske momenter i en todimensionel isolator. På den ene side, det ligner den analoge interaktion i metaller; på den anden side, det ligner det, der typisk sker i halvledere. Sådan en usædvanlig kombination dominerer interaktionen mellem par magnetiske atomer, hvoraf den ene er nær kanten og en anden væk fra den. På trods af at disse teoretiske fund ikke umiddelbart har nogen anvendelse, de er vigtige for yderligere undersøgelser af virkningen af ​​magnetiske atomer på den elektriske strøm langs kanten af ​​en todimensionel topologisk isolator.