Lớp tinh thể cách điện mới chứa các khoảnh khắc đa cực điện được lượng tử hóa

Anonim

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Illinois ở Urbana-Champaign và Đại học Princeton đã tiên đoán về mặt lý thuyết một lớp vật liệu cách nhiệt mới trong vật liệu tinh thể, xác định nơi chúng có thể được tìm thấy trong tự nhiên, và trong quá trình tổng quát lý thuyết lượng tử cơ bản của các pha Berry trong hệ thống trạng thái rắn. Hơn nữa, những chất cách điện này tạo ra những khoảnh khắc tứ cực hoặc octupole điện - có thể được coi là các điện trường rất cụ thể - được lượng tử hóa. Các quan sát được lượng tử là một tiêu chuẩn vàng trong nghiên cứu vật chất ngưng tụ, bởi vì kết quả thử nghiệm đo các quan sát này, về nguyên tắc, khớp chính xác với các dự đoán lý thuyết - không để lại bất kỳ nghi ngờ nào, ngay cả trong các hệ thống rất phức tạp.

Nghiên cứu, đó là nỗ lực kết hợp của sinh viên tốt nghiệp Wladimir Benalcazar và Phó Giáo sư Vật lý Taylor Hughes của Viện Lý thuyết Chất độc Condensed tại Hoa Kỳ I., và Giáo sư Vật lý B. Andrei Bernevig của Princeton, được xuất bản trong Ngày 7 tháng 7 năm 2017 của tạp chí Science.

Công việc của nhóm nghiên cứu bắt đầu với việc xác định một chất cách điện bốn cực, nhưng nó nhanh chóng trở nên rõ ràng rằng có những tác động sâu sắc hơn.

Benalcazar giải thích, “Một trong những mô hình mới mà công trình trình bày có thời điểm bốn cực điện được lượng tử hóa. Đó là một chất cách điện không giống như tất cả các chất cách điện topo đã biết trước đó. tại sao các hệ thống này đã tránh được việc khám phá quá lâu. "

"Nhưng đáng chú ý, " ông tiếp tục, "mặc dù các bề mặt của chất cách điện tứ cực là gapped, chúng không phải là không đáng kể. Trong thực tế, chúng tạo thành một giai đoạn cách điện topo chiều thấp! Tính toán của chúng tôi có thể dự đoán khi một hệ thống cách điện - cho dù ở bề mặt, bản lề, hoặc góc. Đáng ngạc nhiên, tài sản này ở dạng cơ bản nhất của nó có liên quan đến những khoảnh khắc đa cực điện cao hơn. "

Công trình mang tính cách mạng trong thập niên 1990 và 2000 của Vanderbilt, King-Smith, Resta, Martin, Ortiz, Marzari và Souza, đã có thể xác định thời điểm lưỡng cực của tinh thể thông qua một ứng dụng cụ thể của giai đoạn Berry - một số lượng toán học đặc trưng sự tiến hóa của các hàm sóng điện tử trong không gian động lượng của mạng tinh thể. Công trình đó đại diện cho một tiến bộ lớn trong sự hiểu biết của chúng ta về hiện tượng điện từ tôpô trong vật liệu tinh thể. Nó cung cấp một liên kết giữa một số lượng vật lý (lưỡng cực thời điểm) và một topo (Berry giai đoạn). Theo Hughes và Bernevig, nghiên cứu hiện tại bắt đầu như một nỗ lực để khái quát hóa lý thuyết moment lưỡng cực thành những khoảnh khắc đa cực cao hơn.

Hughes kể lại, "Ở giai đoạn sớm nhất, Andrei và tôi đã thảo luận về ý tưởng mở rộng công việc trên những khoảnh khắc lưỡng cực tinh thể đến những khoảnh khắc tứ cực. Nhưng hóa ra, trong khi câu hỏi dường như hơi rõ ràng khi được hỏi, giải pháp toán học không được. các khoảnh khắc đa cực trong hệ thống cơ học lượng tử của electron là một thách thức bởi vì electron, một hạt cơ học lượng tử, là một sóng, không chỉ là một hạt, và vị trí của nó trong không gian là không chắc chắn., số lượng vectơ, khoảnh khắc tứ cực là phức tạp hơn. "

Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học phải phát minh ra một khung lý thuyết mới. Ngoài ra, họ cần xây dựng các mô hình với các thuộc tính phù hợp để có thể chuẩn hóa kỹ thuật phân tích mới của mình. Nhưng trên thực tế, mọi thứ đã xảy ra theo thứ tự ngược lại: Hughes và Bernevig tin tưởng Benalcazar với việc tìm ra mô hình chính xác, một sự tổng quát hóa của một chất cách điện lưỡng cực với một moment lưỡng cực lượng tử hóa. Từ đó, phải mất cả năm để xây dựng khung lý thuyết đầy đủ.

Các công cụ toán học hiện có — các giai đoạn trạng thái rắn - chỉ có thể giải quyết vị trí của electron theo một hướng tại một thời điểm. Nhưng đối với thời điểm tứ cực, đội cần phải xác định vị trí của nó trong hai chiều cùng một lúc. Biến chứng xuất phát từ

Nguyên lý bất định Heisenberg, thường nói rằng bạn không thể đo cả vị trí và động lượng của một electron cùng một lúc. Tuy nhiên, trong các chất cách điện tứ cực mới, nguyên lý bất định khác nhau đang hoạt động, ngăn không cho đo đồng thời vị trí của electron theo cả hai hướng X và Y. Bởi vì điều này, các tác giả không thể giải quyết các vị trí electron bằng cách sử dụng các công cụ lý thuyết hiện có.

"Chúng tôi có thể ghim nó xuống theo một hướng, nhưng không phải là khác, " Benalcazar nhớ lại. "Để có được cả hai hướng cùng một lúc, chúng tôi đã tạo ra một mô hình phân tích mới, về cơ bản bằng cách tách khoảnh khắc tứ cực thành một cặp lưỡng cực."

Hughes nói thêm: "Lúc đầu, chúng tôi chạy mọi thử nghiệm mà chúng tôi biết cách chạy trên các mô hình mà chúng tôi đề xuất và tiếp tục không có vấn đề gì. Vấn đề là, khi hai lưỡng cực nằm trên nhau, chúng sẽ hủy lẫn nhau." quadrupole bạn cần một số độ phân giải không gian để xác định xem các lưỡng cực có thực sự tách biệt hay không. Cuối cùng, chúng ta cần phải xem xét giai đoạn Berry một lớp sâu hơn, về mặt toán học. "

Tìm một cách để giải quyết không gian rằng chiều thứ hai đại diện cho một bước đột phá lý thuyết đáng kể. Các tác giả đã nghĩ ra một mô hình mới để tính toán vị trí của các electron là một phần mở rộng của công thức pha Berry. Đầu tiên, họ sử dụng một kỹ thuật thông thường để phân tách lý thuyết sóng điện tử thành hai đám mây tích điện, tách ra trong không gian. Sau đó, họ cho thấy rằng mỗi đám mây có một thời điểm lưỡng cực. Quy trình lồng nhau hai bước này có thể tiết lộ hai dipoles đối lập tách biệt, đối lập - một tứ giác.

Bernevig nhận xét, "Các chất cách điện tôpô mà chúng ta đã sử dụng trong thập kỷ qua tất cả được mô tả bằng một quy trình toán học được gọi là giai đoạn Berry của một số trạng thái điện tử. cạnh của một hệ thống - nó có thể cho bạn biết những gì thú vị về các cạnh.

Để đi xa hơn một bước và giải quyết những gì có khả năng đáng chú ý về góc của một hệ thống hoặc mẫu, bạn phải thực hiện, trong thực tế, một giai đoạn Berry của một giai đoạn Berry. Điều này dẫn đến việc xây dựng một số lượng topo mới mô tả thời điểm tứ cực được lượng tử hóa. "

Trong thập kỷ qua, việc phân loại các giai đoạn topo của vật chất đã được phát triển đáng kể. Đáng chú ý, công việc mới này cho thấy sự phong phú chưa được khám phá của lĩnh vực này. Nó dự đoán một lớp hoàn toàn mới của giai đoạn và cung cấp mô hình và phương tiện lý thuyết để kiểm tra sự tồn tại của nó. Có lẽ một trong những khía cạnh thú vị nhất về lĩnh vực cách điện tôpô là sự liên quan thực nghiệm của chúng. Trong bài báo, nhóm nghiên cứu đề xuất ba thiết lập thử nghiệm có thể để xác thực dự đoán của chúng.

Hughes thừa nhận rằng một mô phỏng lượng tử - một kỹ thuật thí nghiệm, sử dụng laser tinh chỉnh và các nguyên tử siêu mỏng để tái tạo và thăm dò các tính chất của vật liệu thực - sẽ là vật liệu dễ tiếp cận nhất.

"Thật thú vị khi sử dụng công nghệ thử nghiệm hiện tại, mô hình của chúng tôi có thể được xem xét ngay lập tức", Hughes khẳng định. "Chúng tôi hy vọng chúng tôi hoặc một người nào khác cuối cùng sẽ tìm thấy một vật liệu điện tử, rắn chắc với những phẩm chất này. Nhưng đó là một thách thức, chúng tôi chưa có công thức hóa học."

Các tác giả chỉ ra rằng các điều kiện để có được hiệu ứng này là khá chung chung, và như vậy có nhiều ứng cử viên tiềm năng trong nhiều lớp vật liệu.

"Hoặc việc thực hiện một ngày nào đó có thể đến từ cánh đồng trái, từ một số ý tưởng thực hiện hoàn toàn khéo léo khác mà ai đó có thể nghĩ ra", Bernevig châm biếm.

Benzalcazar được thuyết phục rằng "sự hiểu biết mới này có thể mở ra một tập hợp toàn bộ các tài liệu có phân loại phân cấp này".

Đây là nghiên cứu cơ bản, và bất kỳ ứng dụng tiềm năng nào vẫn là một vấn đề xa vời về phỏng đoán. Bởi vì các quan sát lượng tử cho phép đo lường chính xác, có thể hiểu rằng các tính chất điện mới của giai đoạn mới này sẽ hữu ích trong đo lường, công nghệ điện tử, hoặc thiết kế vật liệu với các thuộc tính số lượng lớn / bề mặt / cạnh / góc được quy định.

Các tác giả đồng ý, công việc này mở ra nhiều khả năng cho các hệ thống topo mới đã được ẩn trước đó - ẩn trong cấu trúc lồng nhau của toán học giai đoạn Berry. Những giai đoạn tôpô ẩn này có mối liên hệ chặt chẽ với các quan sát vật lý thực sự - và có thể có các hiện tượng vật lý khác trong những vật liệu này sẽ rất thú vị để khám phá.

menu
menu