Топологический изолятор

Перейти к навигацииПерейти к поиску
Утрированная фазовая диаграмма с топологическими изоляторами, тривиальными изоляторами и проводниками. Не существует непрерывной траектории на фазовой диаграмме от топологических изоляторов к тривиальным изоляторам не пересекающей проводящую фазу. На схеме изображен топологический инвариант, поскольку имеется два «островка» разных изоляторов.
Идеализированная зонная структура для трехмерного симметричного топологического изолятора с обращением времени. Уровень Ферми попадает в объёмную запрещенную зону, которую пересекают топологически защищенные состояния поверхности Дирака со спиновой текстурой[1][2].

Топологи́ческий изоля́тор — особый тип материала, который в объёме является диэлектриком (изолятором), а по поверхности проводит электрический ток[3].

Топологический изолятор является внутри изолятором по той же причине, что и «тривиальный» (обычный) изолятор: в зонной структуре существует энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости материала. Но в топологическом изоляторе эти зоны в неформальном смысле «скручены» относительно тривиального изолятора[4].

Примером топологического изолятора может служить очень тонкая (в противном случае нужный эффект топологического изолятора не достигается) плёнка теллурида ртути и минерал кавацулит, сначала полученный в лаборатории, и только затем обнаруженный в природе[5].

История

Первые модели трехмерных топологических изоляторов были предложены Б. А. Волковым и О. А. Панкратовым в 1985 году[6], а затем О. А. Панкратовым, С. В. Пахомовым и Волковым Б. А. в 1987 году[7] было показано существование бесщелевых двумерных состояний Дирака на соприкосновении инверсных зон в гетероструктурах PbTe/SnTe[6] и HgTe/CdTe[7]. Существование межфазных состояний Дирака в HgTe/CdTe было экспериментально подтверждено группой Лорен В. Моленкамп в двумерных топологических изоляторах в 2007 году[8].

Топологические изоляторы, предсказанные в 1980-х годах, открытые в 2007 году сейчас активно изучаются.


Свойства

Поверхностное состояние трёхмерного топологического изолятора является новым типом двумерного электронного газа, где спин электрона связан с импульсом, то есть спин зависит от собственного движения электрона.

Применение

Предполагается использование топологических изоляторов в квантовых компьютерах в качестве носителей информации[5][9].

Применение в теории[прояснить]

Ссылки

Примечания

  1. ↑ Moore, Joel E. (2010). "The birth of topological insulators". Nature (англ.). 464 (7286): 194—198. Bibcode:2010Natur.464..194M. doi:10.1038/nature08916. ISSN 0028-0836. PMID 20220837. S2CID 1911343.
  2. ↑ Hasan, M.Z.; Moore, J.E. (2011). "Three-Dimensional Topological Insulators". Annual Review of Condensed Matter Physics (англ.). 2: 55—78. arXiv:1011.5462. Bibcode:2011ARCMP...2...55H. doi:10.1146/annurev-conmatphys-062910-140432. S2CID 11516573.
  3. ↑ Kane, C. L.; Mele, E. J. (2005). "Z2 Topological Order and the Quantum Spin Hall Effect". Physical Review Letters. 95 (14): 146802. arXiv:cond-mat/0506581. Bibcode:2005PhRvL..95n6802K. doi:10.1103/PhysRevLett.95.146802. PMID 16241681. S2CID 1775498.
  4. ↑ Zhu, Zhiyong; Cheng, Yingchun; Schwingenschlögl, Udo (2012-06-01). "Band inversion mechanism in topological insulators: A guideline for materials design". Physical Review B (англ.). 85 (23): 235401. Bibcode:2012PhRvB..85w5401Z. doi:10.1103/PhysRevB.85.235401. hdl:10754/315777. ISSN 1098-0121.
  5. ↑ 1 2 Ученые нашли природный топологический изолятор для квантовых компьютеров Архивная копия от 14 марта 2013 на Wayback Machine // Lenta.ru, 11.03.2013
  6. ↑ 1 2 Volkov, B. A.; Pankratov, O. A. (1985-08-25). "Two-dimensional massless electrons in an inverted contact". JETP Letters (англ.). 42 (4): 178—181. Архивировано 17 июля 2023. Дата обращения: 28 ноября 2023.
  7. ↑ 1 2 Pankratov, O. A.; Pakhomov, S. V.; Volkov, B. A. (1987-01-01). "Supersymmetry in heterojunctions: Band-inverting contact on the basis of Pb1-xSnxTe and Hg1-xCdxTe". Solid State Communications (англ.). 61 (2): 93—96. Bibcode:1987SSCom..61...93P. doi:10.1016/0038-1098(87)90934-3. ISSN 0038-1098.
  8. ↑ König, Markus; Wiedmann, Steffen; Brüne, Christoph; Roth, Andreas; Buhmann, Hartmut; Molenkamp, Laurens W.; Qi, Xiao-Liang; Zhang, Shou-Cheng (2007-11-02). "Quantum Spin Hall Insulator State in HgTe Quantum Wells". Science (англ.). 318 (5851): 766—770. arXiv:0710.0582. Bibcode:2007Sci...318..766K. doi:10.1126/science.1148047. ISSN 0036-8075. PMID 17885096. S2CID 8836690. Архивировано 29 ноября 2023. Дата обращения: 28 ноября 2023.
  9. ↑ Грушина А. Топологическая защита квантовых вычислений // Наука и жизнь. — 2016. — № 12. — С. 13—18. — ISSN 0028-1263. — URL: http://www.nkj.ru/archive/articles/30096/ Архивная копия от 8 января 2017 на Wayback Machine