В последней проблеме Физики Природы исследователи MIT сообщают о новой теоретической характеристике электрических свойств топологических полуметаллов, которая точно описывает все известные топологические полуметаллы и предсказывает несколько новых.Управляемый их моделью, исследователи также описывают химическую формулу и кристаллическую структуру нового топологического полуметалла, который, они рассуждают, должен показать электрические особенности, никогда не замечаемые прежде.«Обычно свойства материала чувствительны ко многим внешним волнениям», говорит Лян Фу, доцент физики в MIT и ведущем авторе на новой бумаге. «Что является особенным об этих топологических материалах, у них есть некоторые очень прочные свойства, которые нечувствительны к этим волнениям. Это привлекательно, потому что это делает теорию очень сильной в предсказании материалов, который редок в физике конденсированного вещества.
Здесь, мы знаем, как дистиллировать или извлечь самые существенные свойства, эти топологические свойства, таким образом, наши методы могут быть приблизительными, но наши результаты будут точны».Полуметаллы несколько похожи на полупроводники, которые являются в ядре всей современной электроники. Электроны в полупроводнике могут быть или в «валентной зоне», в которой они присоединены к конкретным атомам или «зоне проводимости», в которой они свободны течь через материал как электрический ток.
Переключение между проводящими и непроводящими государствами – то, что позволяет полупроводникам иллюстрировать примерами логику двойного вычисления.Столкновение электрона от валентной зоны в зону проводимости требует энергии, и энергетический дифференциал между этими двумя группами известен как «ширина запрещенной зоны».
В полуметалле – таком как очень изученные углеродные листы, известные как графен – ширина запрещенной зоны – ноль. В принципе это означает, что полуметаллические транзисторы могли переключиться быстрее в более низких полномочиях, чем полупроводниковые транзисторы.Графы гаражаТермин «топологический» немного более наклонный.
Топология – отрасль математики, которая рассматривает геометрию на высоком уровне абстракции. Топологически, любой объект с одним отверстием в нем – кофейной чашкой, пончиком, садовым шлангом – эквивалентен любому другому. Но никакой объем деформации не может превратить пончик в объект с двумя отверстиями или ни одним, так двумя продырявленными и нет – продырявленные объекты составляют свои собственные топологические классы.В топологическом полуметаллическом, «топологическом» не описывает геометрию самого материала; это описывает граф отношений между энергией и импульсом электронов в поверхности материала.
Физические волнения материала могут деформировать тот граф в том же самом чувстве, что пончик может быть деформирован в садовый шланг, но электрические свойства материала останутся тем же самым. Это – то, что имеет в виду Fu, когда он говорит, «Наши методы могут быть приблизительными, но наши результаты будут точны».Fu и его коллеги – соединяют первых авторов Чэнь Фана и Линга Лу, оба из которых были MIT postdocs и являются теперь адъюнкт-профессорами в Институте Физики в Пекине; и Цзюньвэй Лю, postdoc в Центре Обработки материалов MIT – показал, что отношения энергии импульса электронов в поверхности топологического полуметалла могут быть описаны, используя математические конструкции по имени поверхности Риманна.
Широко используемый в отделении математики, известной как сложный анализ, который имеет дело с функциями, которые включают квадратный корень-1, или я, поверхности Риманна – графы, которые имеют тенденцию быть похожими на плоские самолеты, искривленные в спирали.«Что делает поверхность Риманна особенной, то, что она похожа на граф гаража», говорит Фу. «В гараже, если Вы бродите вокруг в кругу, Вы заканчиваете один пол или один пол вниз. Это точно, что происходит для поверхностных государств топологических полуметаллов. Если Вы перемещаетесь в космосе импульса, Вы находите, что энергия увеличивается, таким образом, есть эта обмотка».
Исследователи показали, что определенный класс поверхностей Риманна точно описал отношения энергии импульса в известных топологических полуметаллах. Но класс также включал поверхности, которые соответствовали электрическим особенностям, не ранее замеченным по своей природе.Поперечные сеченияГраф энергии импульса электронов в поверхности топологического полуметалла трехмерный: два размеров для импульса, одно измерение для энергии.
Если Вы берете двумерное поперечное сечение графа – эквивалентный удерживанию постоянной энергии – Вы получаете все возможные импульсы, которые электроны могут иметь в той энергии. Граф тех импульсов состоит из кривых, известных как дуги Ферми.Модель исследователей предсказала топологические полуметаллы, в которых концы дуг на Два ферми присоединятся под углом или пересекут друг друга способом, который был ранее невидим.
Через комбинацию интуиции и моделирования, Фан и Лю определили материал – комбинацию стронция, индия, кальция и кислорода – что, согласно их теории, должен показать такие экзотические дуги Ферми.То, какое использование, если таковые имеются, эти дуги Ферми могут иметь, не ясно. Но у топографических полуметаллов есть такие дразнящие электрические свойства, которые они стоят понять лучше.
Из новой работы его группы, однако, Фу признает, что для него, «обращение – своя математическая красота – и то, что эта математическая красота может быть найдена в реальных материалах».