Википедија

Topološki izolatori

Topološki izolatori su elektronski materijali koji, poput običnih izolatora imaju energijski procep u balku između valentne i provodne zone, ali je kod topoloških izolatora dodatno to što površina materijala ima egzotične osobine u odnosu na običan izolator. Kod većine topoloških izolatora površina materijala je provodna preko površinskih struja (pogledati podelu).

Topološki izolatori postoje u dvodimenzionalnim i trodimenzionalnim materijalima.

Podela uredi

Topološki izolatori se mogu podeliti na:

Topološki izolatori kod je simetrija vremenske inverzija se mogu klasifikovati na osnovu topološke teorije bendova. Klasifikacija se razlikuje za 2D i 3D slučajeve. Klasifikacija na osnovu topološke teorije bendova se može izvršiti jedino za neinteragujuće sisteme.

  • Dvodimenzionalni topološki izolatori se na osnovu topološke teorije bendova dele u zavisnosti od topološke invarijante  na:[2]
  1. topološki netrivijalne izolatore koji su izolatori (imaju izolatorski procep u balku (engl. bulk)), ali im je površina provodna i na njoj se nalazi neparan broj Dirakovih fermiona (kvantni Holov izolator)
  2. topološki netrivijalne izolatore kod kojih je simetrija vremenske inverzije očuvana u balku, ali je narušena samo na površini materijala i ti materijali imaju izolatorski procep i u balku i na površini materijala (unutrašnji spinski Holov izolator)
  • Trodimenzionalni topološki izolatori se na osnovu topološke teorije bendova dele na 16 topološki različitih klasa.

Interagujući sistemi se mogu klasifikovati na osnovu topološke teorije polja.[2]

Istorijat uredi

1980. godine eksperimentalno je otkriven kvantni Holov efekat[3] koji je istorijski bio prvi primer topološkog efekta u materijalima. 1988. godine osmišljen je teoretski model kvantnog Holovog efekta na dvodimenzionalnoj kristalnoj rešetki koji se javlja narušenjem simetrije vremenske inverzije.[4]

U to vreme nije bilo poznato koje mikroskopske interakcije su odgovorne za topološke efekte. Generalizacijom kvantnog Holovog efekta na osnovu Čern-Sajmonosove teorije, uviđeno je da topološki izolatori mogu postojati i u višim dimenzijama (3D) i kada simetrija vremenske inverzije ostaje očuvana.

Dvodimenzionalni topološki izolator, odnosno kvantni spinski Holov efekat, teoretski je predviđen 2005. godine[1] i ubrzo je detektovan i kod realnih materijala 2007. godine.[5] Kvantni spinski Holov izolator slično kao i kvantni Holov izolator ima izolatorski procep u balku, a površina mu je provodna, s tim što za razliku od kvantnog Holovog izolatora, kod kvantnog spinskog Holovog izolatora provodno stanje čini (jednosmerna) spinska, a ne elektronska struja. Kvantni spinski Holov izolator ima simetriju vremenske inverzije, a ključnu ulogu za pojavu topoloških efekata ima spin-orbitna interakcija.

Osobine uredi

Landauovljevi nivoi kod kvantnog celobrojnog Holovog stanja

Svi obični izolatori se karakterišu istom topološkom izolatorskom fazom, zbog toga što se svi mogu kvalitativno opisati jednim energijskim procepom. 1980ih godina ustanovljeno je da ako se elektroni ograniče na dvodimenzionalnu površ i ovakav sistem se postavi u jako magnetno polje, doći će do pojave određenog konačnog broja Landauovljevih energetskih nivoa, dok će preostali energetski nivoi ostati prazni. Energetski procep između praznih i popunjenih nivoa ovakve materijale može okarakterisati izolatorima. Dodatno, za razliku od običnog izolatora, električno polje će na površini izazvati drift ciklotronskih orbita, što će uzrokovati da površina postane provodna. Karakteristično je da je provodnost tačno kvantovana, što je izmereno sa visokom tačnošću, te je potvrđeno da je topološka priroda ovih stanja različita od običnih izolatora. Ovakvo stanje naziva se kvantovano celobrojno Holovo stanje, a provodnost na površini je Holova provodnost.

Sistemi sa kvantnim celobrojnom Holovim stanjem se mogu opisivati jednočestičnom kvantno-mehaničkom teorijom, dok se sisteme okarakterisanim kvantnim razlomljenim Holovim stanjem mora opisivati u okvirima višečestične teorije.[6]

Primena uredi

Topološki izolatori su veoma interesantni za primenu, jer imaju visok potencijal u primeni u spintronici i kvantnom računarstvu.

Vidi još uredi

Reference uredi

  1. ^ a b Kane, C. L.; Mele, E. J. (2005-11-23). „Quantum Spin Hall Effect in Graphene”. Physical Review Letters. 95 (22): 226801. doi:10.1103/PhysRevLett.95.226801. 
  2. ^ a b Qi, Xiao-Liang; Zhang, Shou-Cheng (2011-10-14). „Topological insulators and superconductors”. Reviews of Modern Physics (na jeziku: engleski). 83 (4): 1057—1110. ISSN 0034-6861. doi:10.1103/RevModPhys.83.1057. 
  3. ^ Klitzing, K. v.; Dorda, G.; Pepper, M. (1980-08-11). „New Method for High-Accuracy Determination of the Fine-Structure Constant Based on Quantized Hall Resistance”. Physical Review Letters. 45 (6): 494—497. doi:10.1103/PhysRevLett.45.494. 
  4. ^ Haldane, F. D. M. (1988-10-31). „Model for a Quantum Hall Effect without Landau Levels: Condensed-Matter Realization of the "Parity Anomaly"”. Physical Review Letters. 61 (18): 2015—2018. doi:10.1103/PhysRevLett.61.2015. 
  5. ^ Konig, M.; Wiedmann, S.; Brune, C.; Roth, A.; Buhmann, H.; Molenkamp, L. W.; Qi, X.-L.; Zhang, S.-C. (2007-11-02). „Quantum Spin Hall Insulator State in HgTe Quantum Wells”. Science (na jeziku: engleski). 318 (5851): 766—770. ISSN 0036-8075. doi:10.1126/science.1148047. 
  6. ^ Hasan, M. Z.; Kane, C. L. (2010-11-08). „Colloquium: Topological insulators”. Reviews of Modern Physics. 82 (4): 3045—3067. doi:10.1103/RevModPhys.82.3045. 

Spoljašnje veze uredi

Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Тополошки_изолатори&oldid=27025523”