En grupp fysiker från MIPT och Landau Institute for Theoretical Physics vid Ryska vetenskapsakademien är nu ett steg närmare att hitta applikationer för topologiska isolatorer - material med anmärkningsvärda elektriska egenskaper, som tills nyligen betraktades som enbart hypotetiska. Forskarna fick insikter i samspelet mellan atomerna i magnetiska föroreningar i sådana material.

Topologiska isolatorer är en stor upptäckt av 2000 -talets fysik. De förutspåddes först teoretiskt och först då observerades experimentellt. Huvuddelen av sådana material uppvisar typiskt halvledarbeteende. Men deras egenskaper på ytan (vid kanten) liknar mycket metaller. Till exempel, elektrisk ström kan flöda fritt på sina ytor. Deras unika egenskaper förväntas vara användbara för att bygga elektroniska kretsar med minimal värmeförlust, kvantdatorer, och andra avancerade enheter.

Dock, att göra praktiska anordningar baserade på topologiska isolatorer, det är nödvändigt att förstå hur deras egenskaper påverkas av strukturella brister, såsom närvaron av atomer med ett icke -noll magnetiskt moment. En atoms magnetiska ögonblick karakteriserar styrkan hos det magnetfält som atomen kan skapa.

Interaktionen mellan atomer med magnetiska moment - dessa inkluderar järn och mangan - har undersökts i många studier. Det kan förekomma i metaller och kallas då Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida-interaktionen, till ära för de fyra teoretiska fysiker som studerade det redan i mitten av 1950-talet. Det förekommer också i halvledare, i så fall är det känt som den indirekta utbytesinteraktionen. Denna typ studerades ursprungligen teoretiskt av Bloembergen och Rowland 1955. Ett annat viktigt bidrag till studiet av den indirekta utbytesinteraktionen gjordes av A. Abrikosov, en sovjetisk och amerikansk fysiker och nobelpristagare som tog upp de grundläggande frågorna om kondenserad fysik. Förstå den indirekta utbytesinteraktionen - dvs. bindningsenergin mellan magnetiska atomer och dess beroende av temperatur och avståndet mellan atomerna - gör det möjligt för forskare att förutsäga hur de magnetiska momenten för dessa atomer kommer att anpassas vid låga temperaturer i ett givet material.

I deras nya tidning, som publicerades i Fysisk granskning B , forskarna undersökte interaktionen mellan atomer med icke-noll magnetiska moment nära kanten av en tvådimensionell topologisk isolator. Igor Burmistrov, en forskare vid Landau Institute for Theoretical Physics, och Pavel och Vladislav Kurilovich, studenter vid sektionen för problem i teoretisk fysik vid institutionen för allmän och tillämpad fysik, MIPT, studerade den indirekta utbytesinteraktionen mellan manganatomer i en tvådimensionell topologisk isolator baserad på en CdTe/HgTe/CdTe-kvantbrunn.

Begreppet "kvantbrunn" innebär att ett tunt lager kvicksilver tellurid, eller HgTe, ligger mellan två lager kadmiumtellurid, CdTe. De två föreningarna har olika kvantegenskaper som begränsar elektroner till kvicksilver -telluridskiktet. Dom är, på ett sätt, fångade i botten av brunnen och kan inte ta sig ut om de råkar ha en specifik energi.

Burmistrov säger, "De två atomerna med magnetiska moment kan interagera på olika sätt, beroende på deras positioner:Om båda är nära kanten, de beter sig som om de vore i en metall, men när de båda ligger bort från kanten, de interagerar som de gör i en halvledare. "

Forskaren förklarade också vad som gör tvådimensionella topologiska isolatorer speciella:"I en tvådimensionell topologisk isolator, kvasipartiklar rör sig i ett plan eftersom storlekskvantiseringsenergin är högre i kvantbrunnen. "Ett system kallas kvantiserat när dess energi bara kan anta diskreta värden, och storlekskvantisering avser när detta uppstår på grund av systemets begränsade storlek. Partiklar i tunna filmer beter sig på ett sätt som skiljer sig från hur de beter sig i klassiska system, såsom en bit koppartråd eller en halvledarkristall.

Den teoretiska analysen, viktigast, resulterade i förutsägelse av en ny typ av indirekta utbytesinteraktioner mellan atomer med magnetiska moment i en tvådimensionell isolator. Å ena sidan, det liknar den analoga interaktionen i metaller; å andra sidan, det liknar det som vanligtvis händer i halvledare. En sådan ovanlig kombination dominerar interaktionen mellan par magnetiska atomer, varav en är nära kanten och en annan bort från den. Trots att dessa teoretiska fynd inte har några omedelbara tillämpningar, de är viktiga för ytterligare studier av magnetatoms effekt på den elektriska strömmen längs kanten av en tvådimensionell topologisk isolator.