תובנות מכניות קוונטיות למבנה האלקטרוני של אינסולטורים טופולוגיים

התגלית של אינסולטורים טופולוגיים (TIs) מייצגת שינוי עמוק באופן שבו הפיזיקאים סיווגים את מצבי הקוונטים של חומר.בניגוד למשטחים רגילים, שבו מוליכות חשמלית היא נכס קטן, ממריצים טופולוגיים בעלי פנים מחלחלים תוך הבטחת התנהגות מתכתית על פני השטח או הקצוות שלהם.התנהגות מדהימה זו נובעת ממסדר טופולוגי לא-טריווי, המקודד על ידי חומר מכני בעל אופי מכני, אשר זכה לתובנות מכני חדש של ג'י, ו-ג'ווידואלים, אשר ניתן לשנות את העובדה ש-מסטרווידוניסטאומטיים, על ידי ג'סטין, כך ש-מסטרווידואלים.

יסודות של אינסולטורים טופולוגיים

שילוב טופולוגי מ- Conventional Insulators

אינסטלטור קונבנציונלי, כגון יהלום או זכוכית, יש את כל האלקטרונים שלה כבולים בחוזקה לאטומים, להרכיב להקה ערימות מלאה מופרדת על ידי פער אנרגיה גדול מלהקות מוליכים ריקה. אלקטרונס לא יכול לזרום במרבית מכיוון שאין מדינה מותרת עבורם לעבור לתוך. a העליון insulator מניות זה אותו פער, אבל משטחו או קצוות היסוד שלו כאן, הגבול בין המדינות הריקולוגיות ביותר ל"מלמעלה"מחדש" (כלומר, הם בעליל) ועד למשטח מתכתי השטח) יש גבול מגנטיים העליונים, אשר נמצאים בתוך המבנה האלקטרומגנטי, אשר נמצאים בתוך המבנה הסגולה, אשר נמצאים בתוך האלקטרומגנטי, אשר נמצאים במרחק של ה"ממול, אשר נמצאים בתוך המבנה הסגולה, אשר יש לולא-על-על-על-על-על-על-על-על-על-על-על-על-על-על-על-על-על-על-על-על-על-ידי ה"מחדשניים, אשר הם, אשר נמצאים במרחק של המערכת המגנטי, אשר הם, אשר הם, אשר הם, בין כוחות מגנטיים, אשר נמצאים במרחק של המערכת המגנטיים, אשר נמצאים במרחק של ה"מחדשניים, אשר נמצאים במרחק של "מ

סימפמטים של הזמן ו-( Z 2 /) Invariant

עבור חומר להיות insulator טופולוגי במובן הרגיל, זה חייב לשמור על סימטריה דו-זמנית (TRS) במאמר משנת 2005, צ'ארלס קיין וג'ין Mele הרחיבו את העבודה הקודמת של הרדאן על גרפן כדי להראות כי ב 2D ו 3D מערכות עם הפיכה חזקה של ספינים ו- TRS, ההזמנה העליונה מאופיינת על ידי Z2 פיזור זה הוא 1xic) עבור נפח אחורי (ב) עבור אלקטרו- 1D) 1 ליטר (ב) הוא 1D) עבור אלקטרו- 1 (ב 1D) הוא מ 1x2 (ב) 1 ליטרים (ב 1x2 (ב 1D) הוא מ 1D) עבור חומר אלקטרונים (ב 1 ליטר) עבור חומר) הוא מ 1x2 (ב 1D) 1 ליטר) 1 ליטר) עבור חומר) 1 ליטר) 1D) עבור חומר זה הוא מ 1x2 (בטווח 1 (מחץ אחורי (במחץ אחורי (בטווח 1x2 (בטווח 1D) עבור אלקטרו- 1D) עבור חומר) עבור אלקטרו- 1D) עם סגסוגת אחורי (בטווח 1D) הוא מסוגל) עבור סגסוגת אחורי (ב 1D) עם סגסוגת

פלטפורמות חומריות אמיתיות בעולם

מימושים ניסיוניים של ה- 2D העליון של insulator (או קוונטית ספין הול insulator) נמצאו ב HgTe / CdTe קוונטית על ידי קבוצת לורן Molenkamp.שדה התפוצץ עם החיזוי התיאורטי על ידי Liang Fu ועמיתים כי B\ {x\) הוא 3D2 b s com i com i i i com com com) באופן מהיר (D2 r)

עקרונות מכניים קוונטיים גוברים על התנהגות TI

Spin-Orbit Coupling: The Engine of Topology

הפיכה ספינ-אוביט (SOC) היא השפעה יחסית שבה הספין של אלקטרונים אינטראקציה עם התנועה המקיפה שלה סביב הגרעין. באטומים כבדים כמו ביסמוט ואנטימוני, SOC הוא חזק במיוחד. אינטראקציה זו היא הכוח המניע מאחורי השלב העליון של אזור הטופולוגי (SOC) ב in atricl in atricl in atrical in a, the valence מקסימום יש מסלול דמוי אופי, בעוד ש- jOb-C מכיל את החלק התחתון של 2 (כמו רוחב 3) עם ה-C) עם ה-Ricial po-R) עם ה-R (R) עם ה-Ricial po-Ricial) עם ה-R) עם ה-Ricial (R) עם ה-R) עם ה-R) עם ה- j(D) עם ה- j-R) עם ה-R) עם ה-R.

Band Inversion and the Topological Phase Transition

Band inversion הוא האירוע המכאני הקוונטי הקריטי שמניע את החומר משלב טריוויאלי לשלב טופולוגי.זה אנלוגי להחלפת שוויון במרכז האזור. כמו כוחו של SOC גדל, הפער בין הלהקות המופנמות קרוב, המערכת עוברת דרך נקודה קריטית קוונטית (Hughum) ולאחר מכן מחדש את הפער נפתח מחדש.

Invariants: Charn Numbers ו-Berry Phases

שפת הטופולוגיה חיונית לתיאור השלבים האלה.The TKN invariant (Youless-Kohmoto- Nightingale-den Nijs), או מספר צ'רן, מתאר מתמטית את מוליכות הולמת הקוונטית באפקט ה-Bulum integer, שלב טופולוגי 2D. for העליון לאכוף על ידי סימטריה בזמן-reversal, את ההחלופה הבסיסית של גל הרחם הזה הוא על פני השטח ה-Ricbsp; הוא כולו / ctulch המלאכה חלקית (Ricial) ו-Ricialdumd) ו-R.

מבנה הלהקות האלקטרוניות: מדינות צפופות ודיאק קונס

דיאק קוני ו- Linear Dispersion

סימן ההיכר של המבנה האלקטרוני התלת-ממדי של אינסטלטור התלת-ממדי הוא הקונפורקט (Drac cone) בתוך פער הלהקה הגדול, פני השטח מהווים יחסי פיזור אנרגיה ליניאריים, (E=שעה / hbar v F Fk)\(((a) כלומר, עומד על חלקיקים חסרי-יחסי-יחס המוני (הפרעות) המתוארים על ידי דיאק, אך כאן "האור" 0.

שפינוי-Momentum Locking: The Helical Spin Texture

אולי התכונה המכנית המפחידה ביותר של 3D העליון של מדינות משטח ספין-מומנטום נעילה.ספין של האלקטרוני הוא נאלץ להיות perpendicular מומנטום שלו וננעל במטוס של פני השטח. זה מרקם הלייקאלי פירושו כי עבור כיוון מומנטום מסוים ( kx x), הספין ייחודי, קבוע (אומר, + sy) זה (מכיוון אסור) בכיוון ההפוך (k) / tx) בכיוון ישיר (x) (k) בכיוון ההפוך (x) (k) (k) (xi) (x) בכיוון ההפוך) (xi) (xi) בכיוון ההפוך) - t(x) (x) בכיוון ישיר (x) בכיוון ההפוך)

כלים תיאורטיים: DFT ומודלים יעילים

הגישה המכנית הטובה ביותר לחיזוי מבנה הלהקה של insulators טופולוגי הוא תורת תפקוד דנסטי (DFT) חישובים מדויקים דורשים כולל הפיכה של ספינ-אוביט במפורש ושימוש פונקציונליים מתאימים להחלפת-coration (למשל, את החומרים המשתנים של Beck-Johnson, או פונקציונליות היברידית) יכול לחזות במדויק את הפער הגדול, את המיקום של ה-DFracicreams (reicials) ו-Famcemi) לדגימה (F) את ההסתברות אופטית (Dip) יעילה יותר (Dip) ו-DMA) ל-DFDMA) ל-DFDFDFDMA) ל-DMA) ל-DMA (Ficials) ל-DFDMA) ל-DMA) ל-DFDMA) ל-DFDFDMADMADMADMADMA) באופן עצמאי (DMA) באופן עצמאי (DMADFTDFDMA) {\displaystyle DFTD {i) לחיזוי חומרים אופטימהפכה יעילה (D {i) לחיזוי (F} , כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר,

חתימה ניסיונית של מדינות פני השטח טופולוגיות

זווית-Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES)

ARPES הוא הכלי המוביל לצפייה ישירה במבנה הלהקה האלקטרוני של insulators טופולוגי. על ידי תצלומים עתיר אנרגיה גבוהה על גביש ומדידה של האנרגיה הקינטית והזווית של אלקטרונים פולטים, מדענים יכולים למפות את הפיזור האנרגטי של אנרגיה.על ידי מיפוי ARP על פני השטח (2\)Se\(3\) סיפקו אישור מרהיב של הלהקה היחידה באמצעות מיפוי מתמטי באמצעות ספין-מפוספס (Moderic Resoling) הפך חומרים סטנדרטי של תמונות סטנדרטיות (Aphic Resoled) ספין-Steremic Reverse) ספין-Stemic Scatedmation) ספין-Steratedmic Structure) ספין-Steraterateraterateremic Structure) ספין-Apation) ספין-emic Structure (R.

מנהרת מנהרה Microscopy (STM)

STM מספק מידע אמיתי על המבנה האלקטרוני של פני השטח עם רזולוציה אטומית.על ידי מדידת המוליכים מנהרה (DI/DV) כפונקציה של מיקום ואנרגיה, STM יכול למפות את צפיפותן המקומית של מדינות (LDOS) תבניות חלקיקים (QPI) הנגרמות על ידי פיזור התנגשויות על פני השטח העליון של inulator הפנים לחשוף את האופי של מדינות הפנים של הפירוק של פיזור לאחור (Qferm) של תבניות אחוריות (פרקטיקות) הוא מתפזרות אחוריות של מפוארכות של מפוארים).

מדדי תחבורה

מדידות תחבורה חשמליות מספקות ראיות מאקרוסקופיות של מצבי פני השטח העליון.חתימה מפתח היא החלשה נגד הליקליזציה (WAL), עלייה בטמפרטורות נמוכות בשל תיקונים של הפרעות קוונטיות.הצורה הספציפית של מגנטיות זו יכולה להיות מצוידת כדי לחלץ את מספר הערוצים המובילים שלהם ואת אורך קוהרנטיות (Subn-de- Haas intraativeation) של בדיקות שטח 2Drephicial) של חומרת (Ricial Repation) של cydusdusd) הוא בדיקה (Ricial) של phos) של חומר בדיקה (Ricial) של ⁇ dusdumtamsdumtamdicial) של cydusd) של cyd) של cydumtamsd) של חומר בדיקה (Riciald) של ⁇ d) של ⁇ d) של cydusd) של ⁇ dumtamdumtam) של חומר בדיקה (Ricialdumtiald) של חומר בדיקה (Riciald) של מגנטיתולעת crurtrad) של מגנטיתולעת cruphid) של

שכפול ויישומים של אינסולטורים טופולוגיים

Spintronics and the Spin Hall Effect

מנעול ספינ-מומנטום מציג הזדמנות ייחודית עבור ספינטרוניקה. a net ספינבוליזציה יכול להיווצר על ידי פשוט זורם מטען זרם לאורך משטח insulator העליון.זה ידוע בשם אפקט Edelstein.versely, הזרקת ספינים לתוך מדינת המרה משטח יכול ליצור זרם מטען בכיוון, אפקט Edelstein הפוכה.זה מאפשר עבור ספין-קורציה יעילה מאוד, אשר הוא חיוני עבור מערכת זיכרון ספין-לידית רחבה של ספין-לידית.

מחשוב קוונטי טופולוגי ו-Sajorana Fermions

היישום הארוך המרגש ביותר הוא מחשוב קוונטי טופולוגי.כאשר משטח אינסטלטור טופולוגי ממוקם הקרבה על סופר-מוליכים גלי, אפקט הקרבה יכול לגרום לצמדים סופר-מוליכים על פני השטח.תחת התנאים הנכונים, זה יוצר מוליכות על-על טופולוגית המארחת של חברות גדולות ב-S-Ratana אפס ב ליבות השקעה או בקצה של ננווטים.

מכשירים חשמליים

רבים של insulators טופולוגי העליון, כגון Bi\( 2\)Te\( 3\) ו-Sb\( 2\)Te\( 3\), ידועים היסטורית כחומרים תרמואלקטריים מצוינים.היחסים הקרובים בין תכונות טופולוגיות לבין ביצועים תרמואלקטריים הם אזור פעיל של מחקר.

שאלות פתוחות ודרכים פתוחות

המונחים: Upper order insulators

המושג של שלבים טופולוגיים כבר לאחרונה מוכלל על ידי insulators טופולוגי גבוה סדר גבוה (HOTIs) בעוד insulator העליון סדר ראשון יש פערים גדולים משטחים ללא פער, הזמנה שנייה מתקדמת 3D HOTID HOTI כבר פירע ופורץ משטחים, אבל מארח מדינות ללא גבולות מוגנים על צירים שלה (1D חוטים).

אינסולטורים טופולוגיים מגנטיים וה-Axion Insulator

שוברים סימטריה של זמן על ידי doping עם זיהומים מגנטיים (למשל, Cr או Mn doping של B / ( 2\)Se\( 3\) פותח פער במדינות פני השטח.זה מניב את השלב האקזוי של תא חשמלמי הקוונטי (QAHE), שבו ההתנגדות הולמת באפס מגנטית היא גם מובילה להגדרה מגנטית של אפקט מגנטית ברמה גבוהה.

אתגרים טמפרטורה שאפתניים ושילוב מכשירים

היפוך גדול עבור יישומים מעשיים הוא הטמפרטורה התפעולית.רבים ממריצים טופולוגיים יש פערים גדולים מאוד, המוביל להתנהלות רבה משמעותית בטמפרטורת החדר.הדליפה הגדולה הזו קצרה מחוץ למדינות פני השטח העצוינות, לשטוף את המאפיינים הייחודיים שלהם. מטרה מפתח היא למצוא או מהנדס אינטגרטורים טופולוגיים עם פערים גדולים של הלהקה (מעל 0.5V) ואיכות גבוהה (lowypesme), כמו חומרים פונקציונליים אחרים, כמו מוליכים למחצה, כמו חומרים פונקציונליים פונקציונליים פונקציונליים אחרים.

שילוב של שלבים טופולוגיים ו-Frectional TIs

כאשר אינטראקציות אלקטרוניות אלקטרוניות חזקות, תמונת האלקטרוני העצמאיות מתפרקת.זה יכול להוביל לבודדים טופולוגיים (FTIs), אנלוגיית אפס-מגנטיים של אפקט ה- קוונטי השברירי. FTIs יארחו חלקיקים אקזוטיים עם מטען שברירי וסטטיסטיקות.החיפוש אחר חתימות ניסיוניות של צניחות שבריריות ב- moiréiré heterostructures (atrastras), הוא מייצג חומר כימי חזק יותר, אפילו יותר, מתואם, אפילו חומרים מתקדמים יותר, יותר מאשר חומרים כימיים, יותר, גרף, יותר, יותר, יותר מאשר חומרים כימיים, גרף, יותר מאשר חומר גרף, גרף יותר מאשר חומר חדש, מתואם יותר, מתואם יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים כימיים, גרף, גרף, גרף, גרף, יותר מאשר גרף, מתואם יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר גרף חזק, גרף חזק יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר חומרים מתקדמים יותר מאשר גרף, גרף חזק יותר מאשר גרף חזק יותר מאשר גרף חזק יותר מאשר גרף חזק

מסקנה

השדה של insulators טופולוגי מדגים את הכוח של מכניקת הקוונטים לחשוף מבנים נסתרים ב מוצקות. מן המושג המתמטי מופשט של ה-( Z 2 /) invariant טופולוגי להתבוננות ישירה של ספין-מומנטום נעול דיאק עם ARPES, המסע הגדיר מחדש את ההבנה שלנו של מצבים מתכתיים ו insulating.theum החידושים המכניים שנצברו על פני שני העשורים האחרונים עדיין לא להעמיק את החומרים הפיזיקליים של הפיזיקה העליונה שלנו, אלא גם כן, אלא גם כן, אלא גם כן, אך ורק על ידי חומר משקף עמוק יותר, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, אשר המשיך להעמיק את החומרים הפיזיקלים מתקדמים יותר, כמו גם על ידי חומרים מגנטיים מתקדמים יותר, אך ורק על ידי להעמיק את החומרים המשתנים עמוק יותר, כמו גם על ידי להעמיק את החומרים האינטראקציות מגנטיים מתקדמים יותר, כמו גם על ידי מטה, אך ורק על ידי מטה, כמו גם על ידי מטהרמטיים מתקדמים יותר, כמו גם על ידי מטה, כמו גם על ידי מטה, כמו כן, כמו גם על ידי החידושים האינטראקציות מגנטיים עמוק יותר, כמו כן, כמו כן, כמו כן, כמו כן, כמו כן