Inslitheoirí topological - staid nua ábhair

In 2016, bronnadh an Duais Nobel san Fhisic ar thriúr eolaithe Meiriceánacha: Duncan Haldane, John Kosterlitz agus David Tuless as "fhionnachtana teoiriciúla ar aistrithe céime toipeolaíocha agus ar chéimeanna toipeolaíocha ábhair." Ba mhaith linn an frása doiléir seo a chur in aithne duit trí scéal suimiúil a insint duit faoin gcaoi a ndearnadh staidéar ar ghnéithe éagsúla den seoltacht leictreach agus cad ba bhun leis.

Tá daoine ag bailiú ómra ó shin i leith. Is leis an bhfealsamh Gréagach a bhaineann an chéad lua scríofa ar an bhfíric go bhfuil ómra, rubáilte ar olann, píosaí beaga línéadaigh agus substaintí eile a mhealladh. Thales of Miletus, timpeall 600 R.Ch Tagann an focal nua-aimseartha agus a dhíorthaigh ón ainm Gréigise ar ómra "leictreon" (ελεκτρον).

Ag tús an XNUMXú haois, an nádúraí Béarla Uilliam Gibeart Thug sé faoi deara gur féidir ní hamháin ómra, ach freisin go leor substaintí eile a "leictriú" le cuimilte. Céad bliain ina dhiaidh sin féin-mhúinte Stiofán Liath i Sasana, in éineacht lena chara Francach, thaispeáin sé go bhféadfaí leictreachas a tháirgtear trí shlat ghloine a chuimilt a tharchur thar achair fhada trí mhiotail agus trí shnáitheanna fliucha, rud a thug siad araon seoltóirí leictreachais. Ina gcéad turgnaimh, shocraigh siad na seoltóirí leictreachais go hingearach, mar go raibh an chuma ar an leictreachas ansin mar leacht a shreabhann go simplí ó bhun go barr. Ar deireadh, rith Gray leictreachas go cothrománach ó chuid amháin dá ghairdín go ceann eile ag baint úsáide as rópa taise fillte ar crochadh ó lúba neamhsheoltach síoda.

Buaiteoirí Dhuais Nobel san Fhisic 2016: D. D. Thuless, F. D. Haldane, J. M. Kosterlitz.

Leictreon mar iompróir srutha

Sa lá atá inniu ann, tarchuirtear méideanna ollmhóra leictreachais trí shnáitheanna de shreanga tanaí alúmanaim ar fionraí ó chuaillí cruach arda. Is cáithníní d’ábhar beag nach mór iad iompróirí an fhuinnimh seo - leictreoin - endowed le lucht leictreach diúltach, ar a dtugaimid bunrang, toisc nach féidir é a roinnt i gcodanna níos lú a thuilleadh. Tá na leictreoin seo scoite óna n-adamh sreinge ósta agus tá siad beagnach saor chun bogadh timpeall laistigh den mhiotal. Cosnaíonn an miotail sreabhadh srutha leictrigh, ós rud é go bhfuil na leictreoin, a bhfuil iallach orthu bogadh i dtreo, scaipthe i gcónaí mar thoradh ar imbhuailtí le lochtanna i socrú ceart na n-adamh tuismitheora, mar shampla neamhíonachtaí eachtracha. Ach ní hamháin go n-iompraíonn an leictreon mar a bheadh ​​cáithnín ollmhór d’ábhar, cosúil le liathróid bhiliard mionúr. Múineann Meicnic Quantum go n-iompraíonn an leictreon, ar a laghad nuair nach dtugtar faoi deara é, mar thonn agus go bhfuil sé faoi réir feiniméin trasnaíochta cosúil le tonnta. Thairis sin, tá an leictreon endowed le airí chandamach breise ar a dtugtar ar aisa bhuíochas sin iompraíonn sé freisin cosúil le maighnéad beag.

Is maoin shonrach de chuid seoltóir é friotaíocht leictreach, ag brath ar an gcineál substainte as a ndéantar é, chomh maith lena fhad agus a thrasghearradh. Fiú sa XNUMXú haois Georg Óm cheap sé sa Ghearmáin dlí a chinneann méid shreabhadh na leictreon, i.e., neart an tsrutha leictrigh, ag brath ar an voltas a chuirtear i bhfeidhm ar an seoltóir agus ar a fhriotaíocht. Dlí Ohm ar cheann de dhlíthe bunúsacha na fisice agus na hinnealtóireacht leictreach. Mar aitheantas ar thuillteanais Ohm, tugadh ómós dá ainm ar dhá bhealach - ar dtús ag ainm an aonaid friotaíochta leictreach, agus níos mó ná céad bliain ina dhiaidh sin ... ag an ainm ar cheann de na cráitéir ar an ngealach. Tá láithreacht friotaíocht leictreach ina chúis le caillteanais ollmhóra fuinnimh i líonraí cumhachta, agus mar sin déantar cáblaí leictreacha as copar nó, i bhfad níos eacnamaí, as alúmanam; ábhair le friotachas íseal.

Imíonn friotaíocht leictreach.

Idir an dá linn, i 1911, an t-eolaí Ollainnis Kamerling Onnes fuair sé amach go gcaillfidh miotail áirithe, mar shampla luaidhe, nuair a fhuaraítear iad go teocht gar do nialas iomlán (-273 ° C), friotaíocht leictreach go hiomlán. Tugtar an feiniméan seo sársheoltachtfós ina rúndiamhair ar feadh beagnach leathchéad bliain. Ba léir go gcaithfidh leictreoin shársheolta a bheith i riocht neamhghnách éigin tras-chomhghaolaithe, nuair a bhíonn gluaiseacht leictreoin amháin i gcomhchoibhneas le gluaiseacht daoine eile. Is ansin amháin a bheidh sé dodhéanta go praiticiúil leictreon amháin a scaipeadh, mar athróidh sé seo gluaisne na cinn eile go léir. Déanann Meicnic Quantum comhleanúnachas comhchoiteann den sórt sin de líon ollmhór cáithníní de chineál áirithe a thuar, mar shampla. fótóinnuair a bhíonn siad go léir sa stát chandamach céanna. Ach baineann leictreoin, mar gheall ar mhéid a gcarn, le catagóir eile de cháithníní ar a dtugtar fermionsa sheachnaíonn a chéile agus nach féidir a bheith sa stát céanna ag an am céanna.

I 1957 amháin John Bardeen, Leon Cooper i John Schiffer sna Stáit Aontaithe mhínigh an feiniméan na forsheoltacht, ar bronnadh an Duais Nobel orthu. Léirigh siad, faoi choinníollacha fabhracha, gur féidir le fórsa beag tarraingteach a bheith le feiceáil idir péirí leictreoin i bhfad i gcéin le spins os coinne, rud a chúitíonn éaradh leictreach, mar gheall ar a n-iompraíonn péire den sórt sin mar cháithnín amháin nach mbaineann leis an gcatagóir de fermions a thuilleadh. Ag teocht sách íseal, téann na gala go léir isteach sa stát céanna leis an bhfuinneamh is ísle, rud a chruthaíonn cineál comhdhlúthán comhleanúnach atá freagrach as superconductivity. Ar an drochuair, mar gheall ar an ngá atá le héiliam leachtach a úsáid chun an teocht chriticiúil faoina dtarlaíonn sársheoltacht a bhaint amach, níor aimsigh sársheoltóirí miotalacha úsáid shuntasach san earnáil fuinnimh.

traenacha hovering

1986 gan choinne Georg Bednorz i Alex Muller ó ionad taighde IBM ag Rüschlikon, in aice le Zurich, fuarthas amach go n-éiríonn criadóireacht áirithe forsheoltach ag teocht i bhfad níos airde ná mar a bhí ar fhorsheoltóirí a raibh aithne orthu roimhe seo. Bhíothas ag súil ábhair shársheoltacha a tháirgeadh ag teocht an tseomra. Thosaigh grúpaí taighde éagsúla ar fud an domhain ag fáil ábhair a raibh teocht chriticiúil níos airde acu riamh. D'fhéadfaí tarchur cumhachta gan chailliúint, mótair agus gineadóirí forsheoltóra níos éifeachtaí a bhaint amach, i bprionsabal, ag teocht na nítrigine leachtacha, ar leacht saor é atá ar fáil go forleathan.

Mar sin féin, níorbh fhéidir ábhair shársheoltacha a fháil ag teocht an tseomra. Ach is é an príomh-chonstaic atá le húsáid fhorleathan na sársheoltóirí ardteochta seo ná criadóireacht bhríomhar, agus is beagnach dodhéanta é iad a iompú ina sreanga tanaí a úsáidtear in innealtóireacht leictreach. Idir an dá linn, tá feistí éagsúla cruthaithe cheana féin a úsáideann sársheoltóirí ardteochta go rathúil. Ba mhór an éacht é seoladh an 31 Nollaig, 2000 sa tSín. An chéad traein Maglev ag baint úsáide as forsheoltóirí ardteochta. Is traein é Maglev (ó levitation maighnéadach) a bhfuil a gluaisteáin, a bhuíochas le levitation maighnéadach, ag dul thar rianta speisialta, rud a ligeann do luasanna suas le 600 km / u. (Comhairle liom tú chun féachaint ar: "Shanghai Maglev" ar YouTube ...).

Inslitheoirí topological

Agus ar deireadh, bua an tséasúir! I 2016, triúr eolaithe Mheiriceá - Donnchadh Haldane, John Kosterlitz i Uirlisí David - bronnadh Duais Nobel orthu as obair theoiriciúil a rinneadh sna 70idí agus 80idí. Is le deich mbliana anuas amháin a tháinig siad ina n-ábhar spéise agus paiseanta ag fisiceoirí, a bhuíochas le fionnachtain gan choinne a rinne siad in 2005. Charles Kane i Eugene Mele ó Ollscoil Pennsylvania. Léirigh siad go teoiriciúil gur féidir le seoltacht mhiotalacha le hairíonna neamhghnácha a bheith le feiceáil ar dhromchla roinnt criostail leathsheoltóra. Tugtar na hábhair seo inslitheoirí topological.

Criostail inslitheoir toipeolaíochta SnTe arna fhás ag Institiúid Fisice an PAN leis an Dr. S. Andrzej Shcherbakov

Tá an t-ainm an-"inslitheoirí topological" míthreorach. Ar an gcéad dul síos, ní inslitheoirí iad na hábhair seo, ach seoltóirí maithe leictreachais, ina sreabhann sruth le hairíonna áirithe ar feadh a ndromchla. Ar an dara dul síos, níl baint ar bith ag a gcruth le topology. Ag labhairt di ar topology, is gnách go léirítear an cupán agus an torus mar fhigiúirí coibhéiseacha topological. Dá mbeadh na rudaí seo déanta as marla, d’fhéadfaí, trína ghluáil, bogadh ó fhoirm amháin go foirm eile gan an t-ábhar a stróiceadh nó a ghreamú, agus an poll comhfhreagrach á choinneáil. Bhuel, i gcás inslitheoirí topological, ní hionann cruth an ábhair, cé gur measadh ar dtús ach sraitheanna an-tanaí ábhar, a d’fhéadfaí déileáil leo mar rudaí déthoiseacha. Ní thagraíonn an aidiacht “topological” ach d’airíonna cuid de na claochluithe matamaitice is bun le teoiric na n-ábhar seo.

Tá ról lárnach ag casadh leictreon in inslitheoirí topological, rud a fhágann go n-iompraíonn an leictreon cosúil le mion-mhaighnéad. Cruthaíonn leictreon a imrothlaíonn timpeall ar núicléas adaimh réimse maighnéadach, a fheidhmíonn, ar a seal, ar a mhóimint mhaighnéadaigh féin. I téacsleabhair fisice, tugtar an idirghníomhaíocht seo idirghníomhú spin-orbit. Tá sé seo tábhachtach i go leor feiniméin fhisiceacha agus tá ról ar leith aige in inslitheoirí topological. Cuirimid leis, de réir teoiric speisialta na coibhneasachta, go mbraitheann leictreon atá ag gluaiseacht réimse maighnéadach fiú nuair nach rothlaíonn sé timpeall núicléas adaimh; is leor go mbogann sé ingearach le treo an réimse leictrigh, mar shampla, ar dhromchla leathsheoltóra.

Staid nua ábhar

Sruthanna dromchla timpeall inslitheoir topological; samhlaíonn saigheada dubha casadh leictreon

Mar sin, i gcriostal roinnt comhdhúile agus cóimhiotail leathsheoltóra, mar shampla, mar shampla, Bi2Se3, ina breathnaítear idirghníomhaíocht an-láidir spin-orbit, tá seoltacht mhiotalacha le hairíonna neamhghnácha le feiceáil ar a ndromchla. Tá dlúthbhaint ag treo casadh leictreoin le treo tairiscint an leictreoin, rud a fhágann, ar a seal, go bhfuil leictreoin ag gluaiseacht feadh an dromchla agus faoi réir feiniméan trasnaíochta tonnta resistant to backscattering. Má thagann fabht ar leictreon den sórt sin, “siúlfaidh sé” go réidh é agus leanfaidh sé ag bogadh ina bhuntreo. Mar sin, tá an fhriotaíocht don sruth a iompraíonn na leictreoin seo an-bheag. Níl sé seo ach ceann amháin, cé gur gné an-tábhachtach de na hábhair seo. Go deimhin, tá dromchla criostail den sórt sin, a thaispeánann airíonna miotail neamhghnácha nua - neamhghnách - staid an ábhair. Ba é a fhionnachtain tús le réimse suimiúil taighde atá ag forbairt go tapa, agus inniu ní fios cad iad na fionnachtana agus na feidhmeanna praiticiúla eile a bheidh mar thoradh air. Déanann an teoiric a thuar, go háirithe, an chuma ar shamhail-cháithníní coimhthíocha in inslitheoir toipeolaíoch, lena n-áirítear. fermions Majorana hipitéiseachis féidir a úsáid le haghaidh ríomhanna i ríomhairí chandamach amach anseo. Tuar an teoiric freisin ar an bhféidearthacht a chruthú monaplacht maighnéadachCé gur dépholach é gach fíor-mhaighnéad - tá dhá chuaille mhaighnéadacha aige, ar a dtugtar de ghnáth thuaidh agus theas, nach féidir a scaradh. Tá an fhéidearthacht úsáid a bhaint as na hábhair seo i spintronics, foirm leictreonaice a bhfuil gealladh fúthu, ina gcuirtear a casadh in ionad ról an luchta leictreoin.

Idir an dá linn, i 2011, fisiceoir Meiriceánach Liang Fu ó Institiúid Teicneolaíochta Massachusetts tuartha go teoiriciúil go bhféadfadh ábhair a bheith ann a bhfuil airíonna inslitheoir toipeolaíoch acu nach dteastaíonn idirghníomhú láidir spin-fhithis. Cuirtear siméadracht chomhfhreagrach socrú na n-adamh ar dhromchla an chriostail in ionad a ról. Ainmníodh iad inslitheoirí topological criostalach. Bliain ina dhiaidh sin, fuarthas ábhar den sórt sin ag Institiúid na Fisice de chuid Acadamh Eolaíochtaí na Polainne i Vársá ag grúpa faoi cheannas An tOllamh Tomasz Storegu. Criostail triple a bhí ann d’adaimh luaidhe, stáin agus seiléiniam. Tá tús curtha le dianchuardach ar ábhair nua den aicme seo i saotharlanna éagsúla ar fud an domhain. Áirítear le hábhair den sórt sin freisin cumaisc leathsheoltóra simplí SnTe, criostalaithe ag Institiúid Fisice Acadamh Eolaíochtaí na Polainne. Agus an téacs seo á sheoladh agam chuig an eagarthóir, i gceann de na hirisí eolaíocha is mó le rá - "Nauka" - d'fhoilsigh eolaithe ón ngrúpa tOllamh. Storego agus a gcomhghleacaithe Gearmánacha in Ollscoil Würzburg, a thuairiscigh gur aimsíodh stáit topological aontoiseacha aisteacha a tharla ar dhromchla céimnithe an chriostail a bhí mar thoradh air.

An dtiocfaidh ábhar topological chun cinn i bhforbairt teicneolaíochtaí faisnéise nua-aimseartha? Tá sé seo le feiceáil fós. Sa lá atá inniu ann, spreagann forbairt dhinimiciúil na fisice ábhar comhdhlúite agus disciplíní gaolmhara suim ollmhór san ábhar seo.