Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
KopalniaWiedzy.pl

Najlepszy przewodnik topologiczny: spiralna struktura kluczem do egzotycznych odkryć

Recommended Posts

Materiały topologiczne, które wykazują egzotyczne, odporne na defekty, właściwości, mogą w przyszłości znaleźć zastosowanie w elektronice, optyce czy informatyce kwantowej. Opanowanie ich masowej produkcji przyniesie rewolucję na wielu polach.

Obecnie naukowcy intensywnie badają kilkanaście takich materiałów znanych jako izolatory topologiczne. To materiały, których powierzchnia powinna przenosić ładunki elektryczne niemal bez żadnych oporów, jednak całość ma działać w znacznie wyższych temperaturach niż nadprzewodniki. Jednocześnie wnętrze izolatorów topologicznych nie przewodzi elektryczności.

Specjaliści z Princeton University poinformowali właśnie o odkryciu najbardziej wytrzymałego izolatora topologicznego. To cienki kryształ o strukturze podobnej do DNA czy też spiralnych schodów. Odkrywcy nazwali go topologicznym kryształem chiralnym.

Podczas naszych ostatnich prac udowodniliśmy, że istnieje nowy stan materii kwantowej, który jednocześnie ma niemal idealne właściwości powierzchni topologicznej, będące konsekwencją chiralności struktury krystalicznej, mówi profesor M. Zahid Hasan, jeden z pionierów badań nad materiałami topologicznymi.

W nowym materiale właściwość, która definiuje przewodnictwo topologiczne, które jest powiązane z przewodnictwem elektrycznym powierzchni materiału, jest około 100-krotnie większa niż w dotychczas znanych metalach topologicznych.
Właściwość ta, zwana surface Fermi arc (powierzchniowy łuk Fermiego?) została określona za pomocą spektroskopii fotoemisyjnej w synchrotronie Advanced Light Source (ALS).

Po ponad 12 latach badań nad fizyką topologiczną i materiałami, sądzę, że ujrzeliśmy dopiero wierzchołek góry lodowej. Z naszych pomiarów wynika, że mamy tu do czynienia z najbardziej solidnym topologicznie chronionym przewodnikiem odkrytym do tej pory. To otwiera zupełnie nowe możliwości, mówi profesor Hasan. Pojęcie „topologicznie chroniony” oznacza, że niektóre z właściwości materiału pozostają niezmienne, nawet jeśli materiał nie jest doskonały. Będzie miało to olbrzymie znacznie w przyszłości, gdy będziemy chcieli na masową skalę wytwarzać materiały o świetnych właściwościach.

Ilya Belopolski, naukowiec z Princeton University, który bierze udział zarówno w teoretycznych jak i eksperymentalnych badaniach izolatorów topologicznych zauważa inną, szczególnie interesującą właściwość badanych właśnie kryształów kobaltowo-krzemowych i rodowo-krzemowych – pod wpływem światła wytwarzają one prąd elektryczny o stałej sile. Nasze wcześniej opracowane teorie wykazały, że prąd ten powinien mieć niezmienne konkretne wartości. Nieważne, jakie rozmiary ma próbka lub czy jest zanieczyszczona, wartości te są uniwersalne. To coś niezwykłego, oznacza bowiem, że w praktycznych zastosowaniach wydajność materiału zawsze będzie taka sama, wyjaśnia uczony.

Przed czterema laty informowaliśmy, że międzynarodowy zespół naukowy pracujący pod kierunkiem profesora Hasana odkrył fermiony Weyla, których istnienie przewidziano w 1929 roku. Fermiony, odkryte w syntetycznym krysztale tantalu, mają podobne właściwości elektroniczne, co kryształy będące obiektem najnowszych badań grupy Hasana, z wyjątkiem jednak chiralności.

Nasze wcześniejsze badania nad półmetalami Weyla przetarło nam szlak do badań nad egzotycznymi przewodnikami topologicznymi, wyjaśnia Hasan. W listopadzie 2017 roku zespół Hasana podczas badań teoretycznych stwierdził, że elektrony w krysztale rodowo-krzemowym i innych podobnych materiałach będą zachowywały się w niespotykany sposób. Uczeni przewidywali wówczas, że kwazicząstki w takich materiałach mają właściwości elektronów pozbawionych masy i powinny zachowywać się jak spowolnione trójwymiarowe cząstki światła o  określonej chiralności. Z kolei obliczenia opublikowane na łamach Nature Materials przez Hasana i jego grupę w październiku 2018 roku wykazały, że elektrony w takich kryształach zachowują się kolektywnie jakby były magnetycznymi monopolami. Wszystkie te niezwykłe właściwości są wynikiem chiralnej struktury kryształu.

Kryształy, które obecnie bada Hasan i jego koledzy, mają do kilku milimetrów długości i zostały przygotowane przez różne międzynarodowe laboratoria. Uczeni najpierw dokładnie je opisali podczas badań prowadzonych na specjalistycznym sprzęcie w Laboratory for Topological Quantum Matter and Advanced Spectroscopy na Princeton University, a następnie kryształy przetransportowano do Berkeley Lab celem dalszych badań. Tam najpierw zostały poddane specjalnym technikom polerowania w Molecular Foundry. Zwykle na potrzeby takich badań kryształy są łamane tak, by miały grubość liczoną w atomach.
Jednak obecnie badane kryształy są niezwykle wytrzymałe. Dlatego też w Molecular Foundry musiano ostrzeliwać je wysoko energetycznymi atomami argonu, co pozwoliło oczyścić i spłaszczyć próbki, a następnie poddano je ponownej krystalizacji i polerowaniu.

Dotychczasowe badania wykazały, że zachowanie elektronów w tych kryształach jest ściśle powiązane z chiralnością ich struktury. Dlatego też profesor Hasan uważa, że istnieją jeszcze inne sposoby badań takich materiałów. To może prowadzić do powstania nowych rodzajów nadprzewodników lub badania nowych zjawisk kwantowych, mówi Hasan. Uczony zastanawia się nawet, czy możliwe jest uzyskanie chiralnego topologicznego nadprzewodnika. Dodaje, że co prawda właściwości topologiczne, które wraz z zespołem może obserwować w kryształach rodowo-krzemowych i kobaltowo-krzemowych są uznawane z idealne, jednak nie można wykluczyć, że w wielu innych materiałach byłyby one jeszcze lepsze.

Okazuje się, że te zjawiska fizyczne można będzie uzyskać w przyszłości w innych materiałach, które lepiej będą pasowały do naszych potrzeb, stwierdza profesor Hasan.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Ktoś jest mi w stanie przybliżyć czym jest siła prądu elektrycznego? Czy to jakiś babol w tłumaczeniu?

Share this post


Link to post
Share on other sites

Po polsku chodzi o źródło stałoprądowe.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Czyli źródło prądu stałego, ponieważ fizyczny przepływ elektronów ma miejsce wyłącznie przy tego rodzaju prądzie, w typowym przewodniku np. miedzi około 3mm na sekundę, a więc bardzo wolno :)

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
22 minuty temu, Tomasz Winter napisał:

Czyli źródło prądu stałego

Jak elektronik mówi "stałoprądowe" to raczej ma na myśli pewną niezależność prądu od obciążenia. Źródło stałoprądowe, a prądu stałego to jednak różnica. 

Jaki jest związek z prędkością elektronów? Pole E rozchodzi się z predkością c więc prędkość samych elektronów jest chyba bez znaczenia?

Share this post


Link to post
Share on other sites
W dniu 25.03.2019 o 22:25, Jajcenty napisał:

Jak elektronik mówi "stałoprądowe" to raczej ma na myśli pewną niezależność prądu od obciążenia. Źródło stałoprądowe, a prądu stałego to jednak różnica. 

Jaki jest związek z prędkością elektronów? Pole E rozchodzi się z predkością c więc prędkość samych elektronów jest chyba bez znaczenia?

Faktycznie, stałoprądowe może oznaczać dostarczające prądu o stałym natężeniu ... sam nie wiem co autorzy mieli na myśli.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Hybryda materii i antymaterii – atom helu, w którym elektron zastąpiono antyprotonem – wykazuje niespodziewaną reakcję na światło lasera, gdy zostaje zanurzony w nadciekłym helu, informują naukowcy z projektu ASACUSA na CERN. Uczeni zauważają, że ich odkrycie może stać się podstawą dla rozpoczęcia różnego rodzaju badań.
      Nasze eksperymenty sugerują, że hybrydowe atomy helu składające się z materii i antymaterii mogą zostać użyte do eksperymentów spoza fizyki cząstek, szczególnie zaś w badaniach fizyki materii skondensowanej, a może nawet w eksperymentach astrofizycznych, mówi rzecznik prasowy ASACUSA, Masaki Hori. Prawdopodobnie wykonaliśmy pierwszy krok w kierunku wykorzystania antyprotonów w badaniach materii skondensowanej.
      Naukowcy pracujący przy projekcie ASACUSA wykorzystują hybrydowe atomy helu do badania masy antyprotonu i porównywania jej z masą protonu. W takich hybrydowych atomach wokół jądra krąży antyproton i elektron, zamiast dwóch elektronów, wchodzących w skład zwykłego atomu helu. Atomy te uzyskuje się wprowadzając antyprotony do schłodzonego gazowego helu o niskiej gęstości.
      Dzięki niskiej temperaturze oraz gęstości możliwe jest łatwiejsze badanie reakcji hybrydowych atomów na światło lasera. Przy bardziej gęstym gazie i wyższych temperaturach linie spektralne przejścia antyprotonu lub elektronu pomiędzy poziomami energetycznymi są zbyt szerokie, przez co ich badanie jest bardzo trudne lub niemożliwe. A w ten właśnie sposób naukowcy próbują określić stosunek masy antyprotonu do elektronu.
      Dlatego też uczeni byli zaskoczeni, gdy okazało się, że w ciekłym helu, który ma znacznie większą gęstość niż hel w stanie gazowym, doszło do spadku szerokości linii spektralnych antyprotonu. Co więcej, gdy obniżyli temperaturę ciekłego helu do poziomu, poniżej której stał się on nadciekły, okazało się, że linie spektralne uległy dalszemu gwałtownemu zwężeniu.
      To było niespodziewane. Badana w paśmie optycznym reakcja hybrydowego atomu helu w nadciekłym helu jest wyraźnie różna od reakcji tego samego hybrydowego atomu w gazowym helu o wysokiej gęstości, mówi Anna Sótér ze Politechniki Federalnej w Zurichu (ETH Zurich).
      Uczeni sądzą, że zaskakujące zachowanie jest powiązane z promieniem orbitali, czyli odległością pomiędzy jądrem atomu a elektronami. W przeciwieństwie do wielu standardowych atomów, promień orbitali w hybrydowym atomie ulega jedynie niewielkim zmianom pod wpływem światła lasera. Dzięki temu laser nie wpływa na linie spektralne, nawet gdy atom jest zanurzony w ciekłym helu. To jednak, jak podkreślają autorzy badań, jedynie hipoteza, którą trzeba zweryfikować.
      Zaskakujące odkrycie niesie ze sobą liczne konsekwencje. Po pierwsze daje nadzieję na stworzenie innych hybrydowych atomów helu, jak np. pionowe (od cząstki pion) atomy helu zbudowane z różnych cząstek antymaterii i cząstek egzotycznych. Posłużyły by one do bardziej szczegółowych pomiarów masy cząstek. Po drugie, znaczące zwężenie linii spektralnych w nadciekłym helu sugeruje, że hybrydowe atomy helu mogą zostać użyte do badania materii nadciekłej i innych skondensowanych faz materii. W końcu zaś, tak wąskie linie spektralne mogą zostać wykorzystane do poszukiwania antyprotonów i antydeuteronów pochodzących z przestrzeni kosmicznej. Badania takie można by prowadzić na orbicie okołoziemskiej lub w laboratoriach umieszczonych w balonach latających na dużych wysokościach. Jednak zanim się one rozpoczną, konieczne będzie pokonanie licznych przeszkód technicznych.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Podstawą nadprzewodnictwa jest łączenie się elektronów w pary. Rodzi się jednak pytanie, czy mogą wobec tego łączyć się też w czwórki. Profesor Egor Babaev przez niemal 20 lat szukał sposobu ma tworzenie nowego stanu materii, elektronowych czworaczków. Teraz w końcu mu się udało. Pracujący pod jego kierunkiem fizycy ze szwedzkiego Królewskiego Instytutu Technologii (KTH – Kungliga Tekniska högskolan) donieśli na łamach Nature Physics, że udało im się uzyskać stan przewidziany przez Babaeva przed 17 laty.
      Uczony w 2004 roku opublikował artykuł, w którym teoretycznie opisał elektronowe czworaczki, a w roku 2012 opisał, w jaki sposób je uzyskać je w bazującym na żelazie materiale Ba1−xKxFe2As2.
      Łączenie się elektronów w pary pozwala na pojawienie się nadprzewodnictwa, stanu, w którym ładunek elektryczny nie napotyka na przeszkody. O tym, że elektrony mogą się łączyć, a nie odpychać, dowiedzieliśmy się z teorii opracowanej przez Coopera, Bardeena i Schrieffera, którzy zostali za nią uhonorowani Nagrodą Nobla w 1972 roku.
      To właśnie te tzw. pary Coopera są nośnikami ładunku w nadprzewodnikach. W normalnych warunkach dwa elektrony, które mają przecież te same ładunki, silnie się odpychają. Jednak w niskich temperaturach w kryształach łączą się w luźne pary. O parach takich wiedzieliśmy od dawna. Jednak idea łączenia się fermionów (a elektrony są fermionami) w czwórki została przez naukowców zaakceptowana dopiero niedawno. Profesor Babaev wyjaśnia, że aby doszło do zaistnienia związku czterech fermionów musi pojawić się coś, co zapobiegnie tworzeniu się par oraz ich przepływie bez oporu, a jednocześnie umożliwi tworzenie czterofermionowego kondensatu.
      Problem w tym, że teoria BCS, mikroskopowa teoria nadprzewodnictwa zwana też teorią Bardeena-Coopera-Shrieffera, nie pozwala na tworzenie fermionowych czworaczków. Gdy więc współpracujący z Babaevem eksperymentator Vadim Grinenko z Technische Universtät Dresden trafił przed 3 laty na ślady wskazujące na istnienie takiego stanu materii, naukowcy musieli zmierzyć się z powszechnie akceptowaną teorią.
      Przez kolejne trzy lata uczeni prowadzili liczne eksperymenty i badania, mające potwierdzić odkrycie. Babaev mówi, że kluczową obserwacją jest spostrzeżenie, że czterofermionowe kondensaty spontanicznie łamią parzystość operacji odwrócenia czasu. Jest to matematyczna operacja, która pozwala zmienić znak współrzędnej czasowej na ujemny, dzięki czemu można opisać zjawisko tak, jakby czas biegł do tyłu lub cały ruch biegł w przeciwnym kierunku. Gdy użyjemy takiego zabiegu matematycznego, to wszystkie podstawowe prawa fizyki nadal działają. Działają też nadprzewodniki. Innymi słowy, jeśli obliczamy teoretycznie właściwości typowego nadprzewodnika i odwrócimy strzałkę czasu, nadal jest on takim samym nadprzewodnikiem.
      Jednak w przypadku czterofermionowego kondensatu po odwróceniu strzałki czasu pojawia się inny stan. Prawdopodobnie minie wiele lat, zanim go w pełni zrozumiemy. Nasze eksperymenty prowadzą do postawienia wielu nowych pytań, ujawniają istnienie wielu niezwykłych właściwości powiązanych z reakcją na temperaturę, pole magnetyczne i ultradźwięki, dodaje Babaev.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Przez 80 lat fizycy próbowali zrealizować pomysł pioniera mechaniki kwantowej, Eugene'a Wignera, który w 1934 roku zaproponował stworzenie niezwykłego rodzaju materii – kryształu zbudowanego z elektronów. W ubiegłym miesiącu na łamach Nature poinformowano o pierwszych eksperymentalnych obserwacjach kryształów Wignera.
      Pozornie może wydawać się, że zbudowanie kryształu z elektronów nie powinno być trudne. Odpychają się one od siebie, chłodzenie zmniejszyłoby ich poziom energetyczny, więc powinny tworząc odpowiedni kształt, tak jak zastyga schłodzona woda. Problem jednak w tym, że zimne elektrony podlegają zasadom mechaniki kwantowej i zachowują się jak fala. Nie zastygają w miejscu w uporządkowanej postaci, a poruszają się i zderzają ze sobą.
      Zespół z Uniwersytetu Harvarda, na czele którego stał Hongkun Park, uzyskał kryształ Wignera niemal przypadkiem. Uczeni badali, jak zachowują się elektrony w bardzo cienkich warstwach półprzewodnika, oddzielonych od siebie warstwami materiału, przez który elektrony nie mogą się przedostać. Naukowcy schłodzili swój materiał poniżej -230 stopni Celsjusza i eksperymentowali z różną liczbą elektronów w każdej z warstw. W pewnym momencie zauważyli, że gdy w warstwie znajduje się określona liczba elektronów, przestają się one poruszać. Z jakiegoś powodu elektrony w półprzewodniku nie mogły się ruszyć. To nas zaskoczyło, mówi You Zhou.
      Autorzy badań zwrócili się o pomoc w wyjaśnieniu tego fenomenu do teoretyków, a ci przypomnieli sobie, że Wigner obliczył, iż elektrony w cienkim dwuwymiarowym materiale powinny utworzyć trójkątny wzorzec, co uniemożliwi im poruszanie się.
      W krysztale uzyskanym przez grupę Zhou siły elektrony ułożyły się w regularny krystaliczny wzór dzięki odpychaniu się zarówno w ramach jednej warstwy, jak i pomiędzy warstwami. Siła odpychania uniemożliwiła im poruszanie się. Jednak takie zachowanie elektronów miało miejsce jedynie wtedy, gdy liczba elektronów w warstwach do siebie dopasowana. Mniejsze trójkąty w jednej warstwie, musiały dokładnie wypełniać przestrzeń wewnątrz większych kryształów w innej warstwie.
      Gdy naukowcy z Harvarda zdali sobie sprawę, że mają do czynienia z kryształem Wignera, doprowadzili do jego „rozpuszczenia się”, wymuszając przejście fazowe, jednak bez dodatkowego ogrzewania. Teoretycy już wcześniej opisywali warunki konieczne do zaistnienia takiego przejścia. Teraz udało się je uzyskać. To naprawdę ekscytujące, obserwować w praktyce to, o czym czytaliśmy w podręcznikach, mówi Park.
      Naukowcy oświetlali warstwy półprzewodnika laserem, co doprowadziło do powstania ekscytonu. Następnie materiał albo odbijał albo emitował światło. Analiza tego światła pozwalała stwierdzić, czy ekscytony wchodziły w interakcje ze zwykłymi swobodnymi elektronami czy też elektronami zamrożonymi w kryształ Wignera. Zdobyliśmy bezpośrednie dowody na istnienie kryształu Wignera o trójkątnej strukturze, mówi Park.
      Zespół z Uniwersytetu Harvarda chce wykorzystać swoje osiągnięcie do badań kryształów Wignera i silnie skorelowanych elektronów. Chcą m.in. odpowiedzieć na pytanie, co się dzieje, gdy kryształ Wignera rozpuszcza się. Ponadto już teraz udało im się zaobserwować kryształ w wyższych temperaturach i z większą liczbą elektronów, niż przewidywali to teoretycy. Zbadanie, dlaczego tak się stało może dać wiele odpowiedzi na pytania o zachowania silnie skorelowanych elektronów.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Lód kojarzy się z twardym, kruchym materiałem. I rzeczywiście taki jest w większości przypadków. Jednak okazuje się, że pojedyncze długie kryształy lodu są niezwykle elastyczne i po zgięciu powracają do oryginalnego kształtu. Takie kryształy uzyskał właśnie Limin Tong i jego koledzy z Uniwersytetu Zheijiang w Hangzhou w Chinach.
      Chińscy naukowcy uzyskali lodowe włókna wykorzystując parę wodną zamkniętą w niewielkiej komorze w temperaturze -50 stopni Celsjusza. Wykorzystali przy tym pole elektryczne, za pomocą którego przyciągali molekuły wody do wolframowej igły, gdzie krystalizowały, tworząc lodowe włókno o średnicy kilku mikrometrów.
      Następnie lód został schłodzony jeszcze bardziej. Temperaturę obniżano pomiędzy -70 a -150 stopni Celsjusza i zmierzono elastyczność włókna. Uczeni odkryli, że lód w takiej formie jest znacznie bardziej elastyczny niż jakikolwiek wcześniej uzyskany. Niektóre z włókien można było niemal zawijać w okręgi, a po zwolnieniu siły powracały one do oryginalnego kształtu.
      Dotychczas największe eksperymentalnie obserwowane odkształcenie sprężyste lodu wynosiło około 0,3%. My uzyskaliśmy 10,9% w lodowych włóknach, mówią autorzy badań. Teoretyczna granica odkształcenia lodu wynosi pomiędzy 14 a 16,2 procent.
       


      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...