Topologia materiałów izolacyjnych
Izolatory topologiczne to materiały będące całościowo izolatorami elektrycznymi, które jednak przewodzą prąd elektryczny na swojej powierzchni. Ta cecha odróżnia je od zwykłych izolatorów. Dwa różne stany skupienia materii współistnieją w metalach ciężkich, takich jak bizmut i antymon, co może być kluczem do przyszłości spintroniki oraz innych zastosowań w elektronice. Przy większości analiz tych materiałów stosowano mocno uproszczone modele, w których elektrony wewnątrz ciała stałego traktowano tak, jakby nie oddziaływały między sobą. Naukowcy pracujący nad projektem "Quantum entanglement and topological phases of matter" (QETPM) przeprowadzili bardziej szczegółowe analizy. Wewnętrzna struktura izolatorów topologicznych została wymodelowana jako system cząstek kwantowych oddziałujących na siebie wzajemnie na kratownicy w obecności pól magnetycznych. Tego rodzaju systemy zrealizowano doświadczalnie przy użyciu ultrazimnych atomów, jednak dla uczestników projektu QETPM stanowiły one najdogodniejszy opis teoretyczny izolatorów topologicznych. Przeprowadzono doświadczenia teoretyczne w celu ustalenia relacji pomiędzy stanami podstawowymi w tak zwanym problemie Hofstadtera a izolatorami topologicznymi. Zespół projektu zbadał również, czy reguły rządzące powstawaniem stanów kwantowych Halla we wzajemnie reagujących systemach kratownicowych mają zastosowanie w przypadku systemów sprzężonych nadprzewodników. Przy bardzo niskich temperaturach oraz w obecności silnego pola magnetycznego w cienkich warstwach materiałów półprzewodnikowych występuje zjawisko znane pod nazwą kwantowego efektu Halla. Ten sam stan, w którym elektrony przepływają bez utraty energii, można uzyskać również w nowo odkrytych izolatorach topologicznych. Naukowcy biorący udział w projekcie QETPM odkryli wiele rożnych stanów kwantowego efektu Halla występujących w systemach kratownicowych, w których wewnątrz warstw i pomiędzy warstwami zachodzą różne interakcje. Ponadto ustalili widma wzbudzenia tych systemów wielowarstwowych i opracowali prognozy nowych sortowań topologicznych. Ustalono, że różne stany skupienia materii można odróżniać na podstawie ich struktur wewnętrznych, które naukowcy nazwali sortowaniami. Nowe sortowania topologiczne odkryte w ramach projektu QETPM mogą poszerzyć i pogłębić naszą wiedzą na temat znanych stanów skupienia materii. Mogą nas również zaprowadzić do nowych stanów skupienia materii oraz wyjaśnić dokładnie, w jaki sposób zwykły materiał może stać się izolatorem topologicznym.
Słowa kluczowe
Izolatory topologiczne, stany skupienia materii, izolatory elektryczne, spintronika, splątanie kwantowe
