Naukowcy zidentyfikowali jednowymiarowy izolator topologiczny, który może zrewolucjonizować obliczenia kwantowe i wydajność ogniw słonecznych. To przełomowe odkrycie toruje drogę postępowi w obliczeniach kwantowych i wydajności ogniw słonecznych.
Naukowcy odkryli nowy izolator topologiczny (TI), unikalny stan materii, który różni się od konwencjonalnych metali, izolatorów i półprzewodniki. W przeciwieństwie do większości znanych wskaźników TI, które są trójwymiarowe lub dwuwymiarowe, ten wskaźnik TI jest jednowymiarowy. Oczekuje się, że te przełomowe prace przyczynią się do dalszego rozwoju kubitów i wysoce wydajnych ogniw słonecznych.
Wyniki badań przeprowadzonych przez naukowców z Uniwersytetu Tohoku, Uniwersytetu w Osace, Uniwersytetu Kyoto Sangyo, Organizacji Badań nad Akceleratorami Wysokiej Energii (KEK) oraz Narodowego Instytutu Nauki i Technologii Kwantowej zostały opublikowane w czasopiśmie Natura.
Przełom w potencjale obliczeń kwantowych
TI mają wnętrze, które zachowuje się jak izolator elektryczny, co oznacza, że elektrony nie mogą się łatwo przemieszczać; Podczas gdy jego powierzchnia działa jak przewodnik elektryczny, a elektrony mogą poruszać się po powierzchni. Od czasu pojawienia się trójwymiarowych TI w pierwszej dekadzie XXI wieku badacze poszukują nowych. Jednakże jednowymiarowe wskaźniki technologiczne pozostają w dużej mierze nieuchwytne.
„Jednowymiarowe TI są szczególnie intrygujące, ponieważ ładunki elektryczne pojawiające się na ich punktach końcowych w rzeczywistości tworzą kubity – podstawową jednostkę informacji w obliczeniach kwantowych. A zatem jest niezwykle ważny dla fizyki kwantowej” – zauważa Kosuke Nakayama, adiunkt w Graduate School of Science na Uniwersytecie Tohoku i współautor badania.
Metodologia badań
Nakayama i jego współpracownicy skupili swoją uwagę na telluru (Te), półprzewodniku, którego głównym zastosowaniem komercyjnym są panele słoneczne i urządzenia termoelektryczne. Najnowsze przewidywania teoretyczne sugerują, że łańcuchy pojedynczej helisy mogą w rzeczywistości być jednowymiarowymi TI. Aby to zweryfikować, zespół musiał obserwować ładunki elektryczne zgromadzone na końcach tych łańcuchów.
Wymagało to przygotowania czystych krawędzi łańcuchów Te bez uszkodzeń strukturalnych, co było możliwe dzięki zastosowaniu nowo opracowanego systemu wiązki jonów klastra gazowego (GCIB), który może modyfikować powierzchnie z dokładnością do nanometra. Następnie zwizualizowali przestrzenny rozkład ładunków elektrycznych za pomocą kątowo-rozdzielczej spektroskopii fotoemisyjnej (ARPES) z wiązką mikroogniskową. Ich badania potwierdziły, że ładunki elektryczne rzeczywiście pojawiały się na końcach łańcuchów, co potwierdza jednowymiarową naturę Te w postaci TI.
Konsekwencje dla przyszłych technologii
Nakayama podkreślił, że ich badania stanowią kluczowy krok w kierunku zrozumienia właściwości jednowymiarowych TI i przyniosą daleko idące korzyści. „Ładunki na końcach jednowymiarowych TI mają różnorodne zastosowania: kubity, wysokowydajne ogniwa słoneczne, fotodetektory o wysokiej czułości i nanotranzystory. Nasze odkrycie jednowymiarowego TI pomoże przyspieszyć badania nad realizacją tych zastosowań.”
Literatura: „Obserwacja stanów krawędziowych wyprowadzonych z topologicznych łańcuchów helisy” autorstwa K. Nakayamy, A. Tokuyamy, K. Yamauchi, A. Moriya, T. Kato, K. Sugawary, S. Soumy, M. Kitamury, K. Horiby, H. Kumigashira, T. Oguchi, T. Takahashi, K. Segawa i T. Sato, 5 czerwca 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07484-z
