Os investigadores descobrem material de cristal Nova com duas características Eletrônico

Um novo material com uma personalidade dividida - parte de metal supercondutor parte, - tem sido observado por uma equipe de pesquisa Princeton University liderado.

A descoberta pode ter implicações para o desenvolvimento da próxima geração de produtos eletrônicos que poderiam transformar a forma como a informação é armazenada e processada.

O novo material - um cristal chamado um supercondutor topológico - tem duas identidades eletrônicas de uma vez. Em temperaturas muito baixas, o interior do cristal se comporta como um supercondutor normal, capaz de conduzir eletricidade com resistência zero. Ao mesmo tempo, a superfície é metálica, capaz de transportar uma corrente, embora com alguma resistência.

Isto está em contraste direto com a maioria dos materiais existentes, que são classificados como estados eletrônicos da matéria, incluindo metais, isolantes e supercondutores convencionais, que são consistentes em como eles fazem, ou não, conduzir eletricidade. Por exemplo, cada átomo de cada único fio de cobre é capaz de transportar uma corrente, que se dissipa um pouco à medida que viaja. Da mesma forma, todas as moléculas em supercondutores normais conduzir eletricidade sem resistência quando o material é colocado à temperatura adequada.

"Os estados conhecidos da matéria eletrônicos são isolantes, metais, ímãs, semicondutores e supercondutores, e cada um deles trouxe-nos uma nova tecnologia", disse Zahid M. Hasan, um professor associado de física na Universidade de Princeton, que liderou a equipe de pesquisa. "Supercondutores topológicos são supercondutores em todos os lugares, mas na superfície, onde são metálicos, o que leva a muitas possibilidades de aplicações."

Hasan e seus colegas publicaram suas descobertas em 01 de novembro da revista Nature Physics.

De acordo com Hasan, um dos usos mais interessantes potencial para o material estaria em eficiência energética de computadores quânticos que teria a capacidade de identificar erros no cálculo como eles ocorrem e resistir a elas durante o processamento. O êxito do desenvolvimento de tais máquinas é pensado para depender de captura e manipulação de partículas chamadas férmions elusive Majorana, que foram inicialmente previstas mais de 70 anos atrás, mas nunca antes observado, Hasan explicou. A dupla personalidade eletrônica dos supercondutores novo com propriedades de superfície incomum, quando colocados em contato com um tipo especial de isolante, pode permitir aos cientistas persuadir os elétrons voando sobre a superfície para se tornar férmions de Majorana, acrescentou.

"Esses supercondutores altamente incomum são os viveiros mais ideal para criar e manipular férmions de Majorana, que poderia ser usado para fazer a computação quântica de uma forma resistente a falhas", disse Andrew L. Wray, o primeiro autor do papel, que recebeu seu diploma de doutorado de Princeton em 2010. "E porque as partículas existiria em um supercondutor, que poderia ser possível manipulá-los em baixo consumo de energia de dispositivos que não são apenas 'verde', mas também imune aos problemas de superaquecimento que se sucedem atual baseada em silício eletrônica."

A ressalva importante é que qualquer aplicação potencial poderia ser de várias décadas no desenvolvimento.

"Claro, é preciso tempo para ir de nova física às novas tecnologias - geralmente 20 a 30 anos, como foi o caso de semicondutores", disse Hasan.

Inicial encontrar de isoladores começa caminho para a descoberta

Em 2007, uma equipe de pesquisa liderada Hasan relatou a descoberta de três dimensões isoladores topológica - uma estranha raça de isolante com uma superfície metálica. Enquanto tridimensional isoladores topológica pode ter potencial para uso na próxima geração de produtos eletrônicos, suas propriedades por si só não são ideais para uso em computadores quânticos, disse Hasan.

Computadores quânticos armazenar e processar informações usando o "quantum" comportamento das partículas subatômicas - fenômenos que ocorrem na escala ultrasmall e estão completamente em desacordo com o mundo que pode ser visto a olho nu, tais como a capacidade de elétrons para a dois lugares diferentes ao mesmo tempo. Computadores quânticos poderiam um dia permitir a manipulação de dados a velocidades que excedem em muito as máquinas convencionais de hoje, que estão se aproximando rapidamente dos limites fundamentais de suas capacidades de computação.

No entanto, os esforços para criar alto desempenho computadores quânticos têm sido dificultados pelo comportamento notoriamente instável e imprevisível de partículas na escala quântica.

Nos últimos dois anos, Hasan e seus colaboradores foram aprimorando as propriedades de um isolante topológico chamado seleneto de bismuto para criar um material com uma superfície metálica e um interior supercondutores, que têm propriedades bem adaptado à exploração na eletrônica do futuro.

Para fazer um supercondutor com o comportamento topológico, ou propriedades de superfície incomum, professor de química Princeton Robert Cava e seu grupo de pesquisa inventou um novo tipo de cristal através da inserção de átomos de cobre na estrutura rede atômica de um semicondutor feito de seleneto de bismuto do composto. Este processo, chamado de doping de intercalação, é um método usado para alterar o número de elétrons em um material e ajustar suas propriedades elétricas.

Os cientistas descobriram que, com a quantidade certa de doping, eles foram capazes de transformar o cristal em um supercondutor a temperaturas muito baixas - abaixo de 4 graus Kelvin, ou cerca de -452 graus Fahrenheit. No entanto, iniciais de laboratório baseado em resultados sugerem que o supercondutor não pode reter propriedades topológicas indefinidamente, embora eles persistem por meses, se o material é mantido em um vácuo.

Para avaliar as características topológicas do material, os pesquisadores usaram uma técnica conhecida como espectroscopia de raios-X para bombardear o cristal com raios-X e "pop" de elétrons individuais fora do material. Estes elétrons foram então analisados, fornecendo uma série de pistas que permitiu que a equipe para determinar a verdadeira natureza do cristal.

Estes testes de raio-X descobriu que os cientistas tinham, de fato, criou um supercondutor topológicas. Além disso, eles descobriram que os elétrons na superfície metálica do cristal não eram elétrons normais. Em vez disso, a superfície caracterizado elétrons rara que agem como massa de menos, as partículas de luz. Os cientistas reconheceram a partículas porque a primeira observação direta de tais elétrons, chamados helicoidais férmions de Dirac, em materiais tridimensionais foi relatado no ano passado por uma equipa de investigação separada conduzida Hasan.

Teoria científica, pelo físico Charles Kane, da Universidade da Pensilvânia, prevê que se um supercondutor topológicas seriam colocados em contato com um isolante topológico, alguns dos elétrons na interface férmions pode se tornar tão procurada Majorana se o material compósito foram colocados em um campo magnético muito forte.

As partículas são desejáveis ​​em dispositivos eletrônicos porque, enquanto os elétrons normais têm uma carga negativa, férmions de Majorana são neutros. Esta natureza-carga menos significa que eles não interagem uns com os outros, e que nem seria afetado pela outros encargos sobre os átomos circundantes que compõem o cristal.

Porque os férmions não seriam atraídos ou repelidos por partículas vizinhas e átomos, eles iriam viajar em muito previsível, os caminhos pré-determinados - e é aí que reside o seu verdadeiro potencial.

Se a moção de férmions de Majorana múltiplas poderia ser previsto, os computadores quânticos topológicos que as informações armazenadas nessas partículas podem ser tolerante a falhas, ou resistente aos erros, explicou. Isto poderia ser novamente prorrogado para projetar métodos que permitem que o computador "sabe" que ele havia realizado um cálculo errado e corrigir o erro.

"Há muitos tipos diferentes de supercondutores topológica e identificação exata dos supercondutores atual vai exigir novas experiências", acrescentou Hasan.

Além de Hasan, Cava e Wray, que é agora um companheiro postdoctoral na instalação avançada Fonte de Luz do Lawrence Berkeley National Laboratory, Princeton cientistas na equipe foram: estudante de graduação Su-Yang Xu, o ex-pós-doutorado pesquisadores Yew San Hor e Dong Qian e Yuqi Xia, que recebeu seu doutorado em Princeton em 2010. Pesquisadores adicionais sobre a equipe incluiu Alexei Fedorov da fonte luminosa avançada no laboratório de Berkeley e Lin Hsin e Arun Bansil, ambos da Universidade Northeastern.

"Este é um resultado animador por Zahid Hasan e colegas de trabalho que constrói em sua descoberta anterior experimental do estado tridimensional primeiro topológica da matéria, o isolante topológico", disse Joel Moore, um professor associado de física na Berkeley-California e University of um membro da classe de Princeton de 1995.

"Os teóricos acreditam que se um isolante topológico pode ser feita supercondutores, o estado resultante teria várias propriedades notáveis", disse Moore. "O mais exótico pode ser a existência de um novo tipo de partícula emergente, o férmion de Majorana .... Nós já sabíamos há algum tempo que os sólidos formada por núcleos comuns e os elétrons podem host 'emergente' partículas com propriedades estranho, como carga fracionada , mas o férmion de Majorana, que tem massa zero e taxa de zero, pode ser o mais estranho de todos. Enquanto nenhuma medida pode confirmar a existência de supercondutividade topológico, o trabalho de Hasan é um passo considerável no caminho certo. "

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