고차 토폴로지 절연체로 알려진 재료의 새로 발견된 "표면 특성"을 통해 식별이 더 쉬워질 수 있습니다. 이는 지금까지 어려운 것으로 입증된 작업입니다. 미국, 프랑스, 중국, 아일랜드의 연구자들이 개발한 이 기술에는 들어오는 광선이 재료 표면에 반사될 때 편광의 변화를 측정하는 작업이 포함됩니다. 아직 실험적으로 입증되지는 않았지만 이 기술은 이러한 특이한 물질의 특성을 활용하는 양자 컴퓨터 및 스핀트로닉스 장치를 개발하는 데 유용할 수 있습니다.
2008년에 발견된 토폴로지 절연체는 부피가 절연체 역할을 하면서 가장자리나 표면을 따라 전기를 매우 잘 전도하는 재료입니다. 일부 토폴로지 절연체에서는 가장자리 상태 전류가 횡방향 스핀 전류를 유도합니다. 이러한 물질은 강한 자기장이 반도체 가장자리를 따라 전류가 흐르도록 유도하는 더 잘 알려진 양자 홀 효과와 유사하게 양자 스핀 홀 시스템으로 알려져 있습니다.
토폴로지 절연체의 가장자리 상태 내에서 전자는 한 방향으로만 이동할 수 있습니다. 일반 도체와 달리 후방 산란이 발생하지 않습니다. 이러한 놀라운 동작을 통해 토폴로지 절연체는 거의 0에 가까운 손실로 전류를 전달할 수 있습니다. 이는 이러한 장치를 오늘날보다 훨씬 더 에너지 효율적으로 만들기 위해 이를 활용하려는 전자 장치 개발자들 사이에서 상당한 관심을 끄는 특성입니다.
지난 10여 년 동안 훨씬 더 낯선 특성을 지닌 추가 토폴로지 재료(Dirac 반금속, Weyl 반금속 및 축삭 절연체 포함)가 등장했습니다. 가장 최근에는 표면과 가장자리를 따라 절연성을 유지하면서 힌지나 모서리에서는 전도성을 갖는 물질이 존재한다는 이론이 제시되었습니다. 소위 고차 위상 절연체(HOTI)의 힌지 상태는 전자 전파 방향이 전자의 스핀과 관련되어 있기 때문에 스핀트로닉스 연구에 흥미롭습니다. HOTI는 또한 내결함성 양자 컴퓨팅에 응용할 수 있는 마요라나 페르미온에 대한 약속을 갖고 있습니다. 단, 존재가 확실히 입증될 수 있어야 합니다.
다른 효과와 구별하기 어려움
원칙적으로 HOTI는 표면의 1차원 선, 즉 경계의 경계를 따라서만 전기를 전도하기 때문에 매우 독특합니다. 그러나 실제로는 다른 현상(샘플의 결정 결함 포함)이 유사한 실험적 특징을 생성할 수 있기 때문에 이를 감지하기가 어렵습니다. 설상가상으로 HOTI 특성은 비정상적으로 높은 대칭성을 가진 재료에서만 발생할 것으로 예측됩니다. 배리 브래들린, 물리학자 어 바나 - 샴페인 일리노이 대학, 미국이 새로운 연구를 공동 주도했습니다. Bradlyn은 “이를 위해서는 비현실적으로 완벽한 결정 구조가 필요하며 지금까지 비스무스 원소를 포함한 소수의 재료만이 이 범주의 재료와 일치하는 실험적 특징을 보여주었습니다.”라고 말했습니다.
에 자세히 설명되어 있는 그들의 작업에서 자연 통신Bradlyn과 동료들은 HOTI의 대부분을 통해 전파되는 전자를 분석했으며, 이는 위 또는 아래일 수 있는 전자의 스핀에 초점을 맞췄습니다. 샘플에 전기 전압을 가하면 이 두 스핀 상태가 반대편에 축적됩니다. 연구진은 이 스핀 구성이 입사광선의 편광이 샘플 표면에서 반사될 때 변하는 광자기 커 효과(Kerr effect)로 알려진 현상을 통해 측정 가능한 시그니처를 생성할 것이라고 계산했습니다.
팀의 계산에 따르면 HOTI 재료 표면의 각 스핀 상태로 인한 분극 변화는 일반 2D 절연 표면에서 예상되는 것의 정확히 절반입니다. Bradlyn은 “표면에서의 이러한 '스핀 해결' 반응은 흥미롭습니다. 이는 HOTI 재료에 대한 강력한 실험적 특징에 대한 최초의 예측을 제공하기 때문입니다.”라고 말했습니다.
위상학적 물질을 위한 주기율표
이 연구에서 팀이 확인한 HOTI의 특성은 양자 컴퓨팅 및 스핀트로닉 장치에 매우 유용할 수 있다고 Bradlyn은 계속 말합니다. 하지만 연구자들은 먼저 실험에서 이를 확인해야 합니다. "우리는 찾는 방법을 안다면 토폴로지 물질의 내부와 표면이 여전히 많은 신비롭고 유익한 특징을 갖고 있다는 것을 우리의 연구가 보여주기를 바랍니다."라고 그는 말합니다.
연구자들은 이제 다른 대칭에 의해 보호되는 위상학적 결정 절연체를 분석하기 위해 형식론을 확장하려고 노력하고 있습니다. "우리는 초전도 시스템도 조사할 것입니다."라고 Bradlyn은 말합니다. 물리 세계.
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- 출처: https://physicsworld.com/a/surface-signature-could-distinguish-exotic-topological-insulators/
