Новости науки "Русского переплета" Rambler's Top100
Портал | Содержание | О нас | Пишите | Новости | Книжная лавка | Голосование | Топ-лист | Регистрация | Дискуссия
Лучшие молодые
ученые России

Подписаться на новости

АВТОРСКИЕ НАУЧНЫЕ ОБОЗРЕНИЯ

"Физические явления на небесах" | "Terra & Comp" (Геология и компьютеры) | "Неизбежность странного микромира"| "Научно-популярное ревю"| "Биология и жизнь" | Теорфизика для малышей
Семинары - Конференции - Симпозиумы - Конкурсы

НАУКА В "РУССКОМ ПЕРЕПЛЕТЕ"
Проект поддержан Международной Соросовской Программой образования в области точных наук.
Новости из мира науки и техники
The Best of Russian Science and Technology
Страницу курирует проф. В.М.Липунов
"Русский переплет" зарегистрирован как СМИ. Свидетельство о регистрации в Министерстве печати РФ: Эл. #77-4362 от
5 февраля 2001 года. При полном или частичном использовании
материалов ссылка на www.pereplet.ru обязательна.

Тип запроса: "И" "Или"

08.12.2017
17:05

Физики впервые создали топологический экситонный изолятор

    Физики впервые смогли остановить электрический ток в двумерном слоистом материале за счет «сцепления» электронов и дырок в соседних слоях, получив таким образом первый двумерный топологический экситонный изолятор. Такие устройства могут быть использованы для защиты состояний кубитов в квантовых компьютерах от декогеренции, пишут ученые в статье, опубликованной в Nature Communications.

    В экситонных изоляторах подавление электрического тока происходит из-за спонтанного образования экситонов — связанных электрон-дырочных пар (подробнее об экситонах и других квазичастицах вы можете прочитать в нашем материале). Теоретически возможность существования таких материалов была предсказана еще в начале 60-х годов XX века. Состояние экситонного изолятора обычно реализуется в полуметаллах, в которых зона проводимости и валентная зона соприкасаются, или очень незначительно перекрываются (одним из примеров полуметаллов является, например, графен) из-за кулоновских взаимодействий между дыркой и электроном. Однако, несмотря на то, что экситонные изоляторы хорошо описаны теоретически, в двумерных материалах экспериментально такие фазы не изучались.

    Группа физиков из США и Китая под руководством Жуй-Жуй Ду (Rui-Rui Du) из Университета Райса впервые изучила появление состояния топологического экситонного изолятора в двумерных материалах. Для этого они исследовали двухслойную систему, состоящую из арсенида индия и антимонида галлия (InAs/GaSb), полученную с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии. В одном из этих слоев носителями заряда являются электроны, а в другом — дырки. Толщина каждого из слоев не превышает 12,5 нанометров, поэтому для носителей заряда эти слои служат квантовыми ямами, и их распространение ограничено двумя измерениями.

    Оказалось, что в такой системе в зависимости от концентрации носителей заряда и температуры возможно образование четырех возможных состояний. При больших температурах и больших концентрациях электроны и дырки не связаны между собой, и одни свободно двигаются в своем слое, а другие — в своем, формируя фазу электронно-дырочной плазмы. В случае совсем низких концентраций электроны и дырки образуют устойчивые экситонные пары, формируя в зависимости от температуры либо фазу бозе-эйнштейновского конденсата, либо фазу экситонного газа, где экситоны могут свободно перемещаться по материалу. А при промежуточных концентрациях носителей заряда (в данном случае порядка 1010 — 1011 электронов или дырок на квадратный сантиметр) образуется как раз фаза экситонного изолятора — состояние, когда взаимодействие между электронами и дырками не дает им свободно перемещаться независимо друг от друга, но при этом и не образуется связанных экситонов.

    Формирование этой фазы происходит при понижении температуры ниже критического значения (примерно −263 градуса Цельсия) из-за образования сверхтекучей квантовой жидкости из экситонов, что не дает току проходить через такой материал. Связывание электронов и дырок при этом аналогично процессу, происходящему при охлаждении сверхпроводника и образованию куперовских пар, только в данном случае пары образуют не два электрона, а электрон и дырка. С помощью терагерцовой спектроскопии при различных значениях магнитного поля и температуры авторы работы количественно доказали формирование состояния экситонного изолятора. Более того, по характеру транспорта носителей заряда удалось показать, что такое состояние в этих материалах топологически защищено.

    По словам ученых, дополнительный контроль состояния экситонов можно обеспечить за счет введения в структуру дополнительного слоя (например, смешанного антимонида галлия и алюминия AlGaSb), расположенного между слоями с дырочной и электронной проводимостью.

    Авторы работы утверждают, что такое устройство может быть использовано в качестве элемента топологического квантового компьютера, в котором информация хранится и передается с помощью топологически связанных квантовых частиц. Эта топологическая защита позволит кубитам в квантовом компьютере не терять когерентность при внешних воздействиях.

    Состояния, аналогичные куперовским электронным парам в сверхпроводниках, могут образовывать не только экситоны, но и, например, фотоны при комбинационном рассеянии. Это происходит при одновременном смещении частоты двух фотонов в противоположном направлении, в результате чего между ними происходит «обмен» виртуальной квазичастицей, что и приводит к их связыванию.

    По информации https://nplus1.ru/news/2017/12/08/topological-excitonic-insulator

    Обозрение "Terra & Comp".

Помощь корреспонденту
Кнопка куратора
Добавить новость
Добавить новости
НАУКА В "РУССКОМ ПЕРЕПЛЕТЕ"

Если Вы хотите стать нашим корреспондентом напишите lipunov@sai.msu.ru

 

© 1999, 2000 "Русский переплет"
Дизайн - Алексей Комаров

Rambler's Top100