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
      Naukowcy z Uniwersytetu Technologicznego w Delft wykazali, że możliwe jest niezależne manipulowanie dwoma rodzajami magnetyzmu w atomach. Magnetyzm w atomach powstaje w wyniku orbitalnego oraz obrotowego ruchu elektronów. W tym pierwszym przypadku mowa jest o ruchu elektronu wokół jądra. Ruch obrotowy zaś to ruch elektronu wokół własnej osi. Jako, że każdy z tych rodzajów ruchu może odbywać się zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub w stronę przeciwną, zatem może reprezentować 0 lub 1. Teoretycznie więc w atomie możemy zapisać 2 bity danych.
      "W praktyce jednak jest to niezwykle trudne, gdyż jeśli zmienimy kierunek ruchu orbitalnego, niemal zawsze zmieni się kierunek ruchu obrotowego i vice versa", mówi główny autor najnowszych badań, Sander Otte.
      Holendrzy, we współpracy z Hiszpanami i Chilijczykami dowiedli, że można odwrócić kierunek ruchu orbitalnego elektronu bez zmiany jego ruchu obrotowego. Osiągnęli to dzięki wykorzystaniu efektu Einsteina-de Haasa. Zgodnie z nim odwrócenie kierunku ruchu orbitalnego można skompensować przez niemierzalnie mały obrót środowiska. W tym przypadku był to kawałek metalu, którego część stanowi atom.
      Naukowcy wykorzystali skaningowy mikroskop tunelowy, którego próbnik może manipulować pojedynczymi atomami. Zwykle atom ma kontakt z wieloma sąsiadującymi atomami, co zaburza jego magnetyzm. Otte i jego zespół odseparowali spin od ruchu orbitalnego atomu żelaza umieszczając go na pojedynczym niemagnetycznym atomie azotu. Dzięki temu mogli manipulować ruchem orbitalnym bez wpływania na spin elektronu.
      Możliwość przechowywania bitów w pojedynczym atomie zwiększyłaby tysiące razy pojemność obecnych układów pamięci. Do tego jeszcze bardzo długa droga. Otte mówi, że w tej chwili głównym osiągnięciem, z którego naukowcy się bardzo cieszą, jest możliwość kontrolowania pojedynczych atomów oraz elektronów krążących wokół nich.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Gdy naukowcy z fińskiego Uniwersytetu Aalto po raz pierwszy zobaczyli wyniki badań nad wydajnością swoich detektorów z czarnego krzemu, sądzili, że to pomyłka. Trudno im bowiem było uwierzyć nie tylko w to, że stworzyli pierwsze urządzenie fotowoltaiczne, które przekroczyło limit 100% zewnętrznej wydajności kwantowej, ale i w to, że wydajność ta od razu sięgnęła 130%. Dotychczas uważano, że 100% stanowi nieprzekraczalne teoretyczne maksimum.
      Gdy to zobaczyliśmy nie mogliśmy uwierzyć. Od razu stwierdziliśmy, że musimy zweryfikować uzyskany wynik za pomocą niezależnych pomiarów, mówi profesor Hele Savin. Niezależne pomiary przeprowadził Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), niemiecki narodowy instytut metrologiczny, najbardziej wiarygodna w tym zakresie instytucja w UE. Obok amerykańskiego NIST i brytyjskiego NPL stanowi on ścisłą światową czołówkę w dziedzinie metrologii.
      Dyrektor Laboratorium Radiometrii PTB, doktor Lutz Werner stwierdził, że gdy tylko zobaczyłem wyniki pomiarów, zdałem sobie sprawę, że mamy tutaj do czynienia z olbrzymim przełomem.
      Zewnętrzna wydajność kwantowa urządzenia wynosząca 100% oznacza, że 1 foton wpadający do urządzenia, przyczynia się do powstania 1 elektronu w zewnętrznym obwodzie. Zatem wydajność 130% to nic innego, jak generowanie przez 1 foton około 1,3 elektronu.
      Analiza wykazała, że ta wyjątkowo wysoka zewnętrzna wydajność kwantowa bierze się z procesu multiplikacji zachodzącego wewnątrz nanostruktur krzemu. Proces ten uruchamiany jest obecnością wysoko energetycznego fotonu. Dotychczas zjawiska takiego nie zaobserwowano, gdyż w urządzeniach dochodziło do dużych strat zarówno fotonów jak i elektronów. Jesteśmy w stanie zebrać wszystkie zwielokrotnione nośniki ładunku, gdyż nasze urządzenie nie wywołuje strat powodowanych przez rekombinację i odbicia, mówi profesor Savin.
      Odkrycie to oznacza, że możliwe jest znakomite zwiększenie wydajności każdego urządzenia, którego praca polega na wykrywaniu obecności fotonu. Takie urządzenia obecne są dosłownie wszędzie, w przemyśle samochodowym, w telefonach komórkowych czy w urządzeniach medycznych.
      Opracowane przez Finów detektory w czarnego krzemu już spotkały się z olbrzymim zainteresowaniem ze strony przemysłu, szczególnie biotechnologicznego oraz specjalizującego się w monitorowaniu procesów produkcyjnych.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Inżynierowe z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii (UNSW) w Sydney uzyskali sztuczne atomy w krzemowych kropkach kwantowych. Były one bardziej stabilne niż atomy naturalne, zatem poprawiały stabilność całego układ kwantowego.
      Profesor Andew Dzurak wyjaśnia, że sztuczne atomy nie posiadał y jądra, ale miały elektrony krążące wokół centrum urządzenia. Pomysł na stworzenie sztucznych atomów z elektronów nie jest niczym nowym. Teoretycznie zaproponowano je już w latach 30. ubiegłego wieku, a w latach 90. udało się je uzyskać, chociaż nie na krzemie. My po raz pierwszy wytworzyliśmy proste atomy na krzemie w roku 2013.
      Jednak naszym najważniejszym osiągnięciem jest uzyskanie sztucznych atomów z większą liczbą elektronów niż wcześniej było możliwe, co oznacza, że będzie można takie atomy wykorzystać do wiarygodnych obliczeń w komputerach kwantowych. To bardzo ważne, gdyż kubity bazujące na jednym elektronie są bardzo zawodne.
      Jak wyjaśnia profesor Dzurak okazało się, że gdy stworzymy sztuczne atomy w naszych kwantowych obwodach, one również mają dobrze zorganizowane w sposób przewidywalny powłoki elektronowe, podobnie jak naturalne atomy.
      Profesor Dzurak wraz z zespołem skonfigurowali kwantowe urządzenia tak, by przetestować stabilność elektronów w sztucznym atomie. Wykorzystali napięcie elektryczne, by przyciągnąć elektrony i stworzyć z nich kwantową kropkę o średnicy około 10 nanometrów. W miarę jak powoli zwiększaliśmy napięcie, przyciągaliśmy kolejne elektrony i tak, jeden po drugim, tworzyliśmy z nich sztuczny atom w kwantowej kropce, wyjaśnia doktor Andre Saraiva, który odpowiadał za teoretyczną stronę badań.
      W prawdziwym atomie w środku mamy ładunek dodatni, czyli jądro, wokół którego na trójwymiarowych orbitach krążą elektrony o ładunku ujemnym. W naszym przypadku nie mieliśmy dodatnio naładowanego jądra, a ładunek dodatni pochodził z elektrody oddzielonej od krzemu warstwą tlenku krzemu oraz elektrony zawieszone pod nią. Każdy z nich krąży wokół centrum kwantowej kropki. Nie tworzą tam sfery, ale raczej płaski dysk.
      Naukowców interesowało szczególnie, co się stanie, gdy do istniejących elektronów doda się kolejny, który zajmie najbardziej zewnętrzną powłokę. Okazało się, że taki elektron może zostać użyty w roli kubitu. Dotychczas niedoskonałości krzemu na poziomie atomowym zaburzały zachowania kubitów, prowadząc do niestabilności i błędów. Wydaje się jednak, że elektrony znajdujące się na wewnętrznych powłokach działają jak „podkład” na niedoskonałym podłożu, zapewniając stabilność elektronu na zewnętrznej powłoce, wyjaśniają.
      Profesor Dzurak dodaje, że wartość kubitu została zakodowana w spinie elektronu. Gdy elektrony, czy to w sztucznym czy w naturalnym atomie, utworzą powłokę, ustawiają swoje spiny w przeciwnych kierunkach, więc spin całości wynosi 0 i jest ona la nas nieprzydatna. gdy jednak dodamy nowy elektron na nowej powłoce, zyskujemy nową spin, który możemy wykorzystać jako kubit. Wykazaliśmy, ze jesteśmy w stanie kontrolować spin elektronów na zewnętrznych powłokach, zyskując w ten sposób stabilne wiarygodne kubity. To bardzo ważne, gdyż to oznacza, że możemy teraz pracować z mniej delikatnymi kubitami. Pojedynczy elektron jest niezwykle delikatny. Ale sztuczny atom z 5 czy 13 elektronami jest znacznie bardziej odporny.
      Zespół profesora Dzuraka był pierwszym, który już w 2015 roku zaprezentował kwantową bramkę logiczną na krzemie. Wcześniej, również jako pierwsi, uzyskali kubit na krzemie. W ubiegłym zaś roku jako pierwsi zmierzyli dokładność dwukubitowych operacji logicznych na krzemie.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Do rejestrowania śladów cząstek jądrowych od niedawna używa się kryształów fluorku litu. Fizycy z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie właśnie wykazali, że kryształy te świetnie nadają się również do detekcji przelotów wysokoenergetycznych jonów pierwiastków nawet tak ciężkich jak żelazo.
      Gdy cząstka jądrowa wpada do wnętrza kryształu, oddziałuje z atomami bądź cząsteczkami jego sieci krystalicznej. W pewnych kryształach i w odpowiednich warunkach powstałe uszkodzenia mogą być źródłem słabego światła – luminescencji. W Instytucie Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie od lat prowadzi się badania nad materiałami wykazującymi tego typu właściwości. Jednym z nich jest fluorek litu LiF. Jego kryształy zostały niedawno użyte do detekcji niskoenergetycznych cząstek, takich jak cząstki alfa (jądra helu). W swojej najnowszej publikacji na łamach czasopisma Journal of Luminescence krakowscy fizycy wykazują, że obszar zastosowań fluorku litu rozciąga się także na detekcję cząstek o znacznych energiach i obejmuje nawet całkowicie odarte z elektronów jony tak ciężkich pierwiastków jak żelazo 56Fe.
      Detektory z fluorku litu to po prostu kryształy. W przeciwieństwie do urządzeń detekcyjnych pozwalających monitorować ślady cząstek w czasie zbliżonym do rzeczywistego, są one detektorami pasywnymi. Innymi słowy, działają jak klisze fotograficzne. Po wystawieniu kryształów na promieniowanie musimy użyć mikroskopu fluorescencyjnego by się dowiedzieć, jakie ślady udało się zarejestrować - mówi prof. dr hab. Paweł Bilski (IFJ PAN).
      Fluorescencyjne detektory śladów cząstek jądrowych są znane mniej więcej od dekady. Wykonywano je jak dotąd jedynie z odpowiednio domieszkowanych kryształów tlenku glinu Al2O3, w których pod wpływem promieniowania dochodziło do utworzenia trwałych centrów barwnych. Tak powstałe centra po wzbudzeniu światłem o odpowiedniej długości emitują fotony o niższych energiach, pozwalające zobaczyć pod mikroskopem ślad cząstki. W przypadku fluorku litu wzbudzenia dokonuje się światłem niebieskim, a emisja fotonów zachodzi w zakresie czerwonym.
      Detektory z domieszkowanego tlenku glinu wymagają drogiego mikroskopu konfokalnego, z wiązką laserową i skanowaniem. Ślady w kryształach fluorku litu można zobaczyć za pomocą znacznie tańszego, zwykłego mikroskopu fluorescencyjnego - mówi prof. Bilski i podkreśla: Ślady zarejestrowane w kryształach bardzo dokładnie odwzorowują tor lotu cząstki. W innych detektorach, takich jak choćby znana wszystkim komora Wilsona, dochodzi do poszerzenia śladu. W przypadku kryształów LiF granicą rozdzielczości jest jedynie limit wynikający z dyfrakcji.
      O ile brak możliwości obserwacji śladów cząstek w czasie zbliżonym do rzeczywistego trudno nazwać zaletą, o tyle nie zawsze musi być wadą. Na przykład w dozymetrii osobistej potrzebne są detektory pozwalające stwierdzić, na jaką dawkę promieniowania został narażony ich użytkownik. Urządzenia te muszą być przede wszystkim małe i niekłopotliwe w użyciu. Milimetrowych rozmiarów krystaliczne płytki fluorku litu spełniają ten wymóg wręcz znakomicie. Między innymi z tego powodu kryształy te, wyhodowane w IFJ PAN metodą Czochralskiego, można dziś znaleźć w europejskim module Columbus Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, pośród wielu innych rodzajów detektorów pasywnych. Wymieniane co pół roku w ramach eksperymentu DOSIS 3D, detektory te umożliwiają określanie przestrzennego rozkładu dawki promieniowania w obrębie stacji i jej zmienności w czasie.
      W trakcie najnowszych badań krystaliczne płytki fluorku litu wystawiono na działanie jonów o dużych energiach. Naświetlenia przeprowadzono w akceleratorze HIMAC w japońskim mieście Chiba. W trakcie ostrzału różnymi wiązkami jonów energie poszczególnych cząstek sięgały od 150 megaelektronowoltów na nukleon w przypadku jonów helu 4He do 500 MeV/nukleon w jonach żelaza 56Fe. Detektory ostrzelano także wiązkami jonów węgla 12C, neonu 20Ne i krzemu 28Si.
      W płytkach kryształów ustawionych prostopadle do wiązki jonów zaobserwowaliśmy praktycznie punktowe źródła światła, o rozmiarach na granicy rozdzielczości optycznej mikroskopu. Były to te miejsca, w których wysokoenergetyczny jon przebił się przez kryształ - mówi prof. Bilski. W ramach testów część płytek została także ustawiona równolegle do wiązki. Prawdopodobieństwo zarejestrowania śladu było wtedy mniejsze, ale gdy już do tego doszło, w krysztale "odciskał" się długi fragment toru lotu cząstki.
      Przeprowadzone testy potwierdzają, że detektory śladowe z fluorku litu świetnie nadają się do rejestrowania przelotów ciężkich jonów o dużych energiach. Wydaje się przy tym, że to wcale nie koniec możliwości kryształów LiF. Co drugi atom w ich wnętrzu to przecież lit, który znakomicie oddziałuje z neutronami. Detektory z fluorku litu, zwłaszcza wzbogacone w izotop litu 6Li, prawdopodobnie będą pozwalały bardzo skutecznie rejestrować neutrony niskoenergetyczne, a wiele wskazuje, że także wysokoenergetyczne. Jeśli przyszłe badania potwierdzą to przypuszczenie, możliwe stanie się skonstruowanie osobistych dawkomierzy neutronowych. Małe rozmiary kryształków LiF pozwalałyby także na ciekawe, dziś technologicznie niedostępne zastosowania techniczne. Śladowe detektory LiF można byłoby użyć na przykład do badania wiązek wtórnych formujących się wokół pierwotnej wiązki protonów wytwarzanych przez akceleratory używane w medycynie do zwalczania nowotworów.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...