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Os pesquisadores descobrem o material de cristal novo com duas características eletrônicas

Um material novo com uma personalidade rachada -- supercondutor da parte, metal da parte -- foi observado por uma equipa de investigação Universidade-conduzida Princeton.

A descoberta pode ter implicações para a revelação da eletrônica da próxima geração que poderia transformar a maneira que a informação é armazenada e processada.

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

Isto está no contraste directo à maioria de materiais existentes que são classificados como os estados eletrônicos de matéria, incluindo os metais, os isoladores e os supercondutores convencionais, que são consistentes em como fazem, ou não faz, electricidade da conduta. Por exemplo, cada único átomo de cada único fio de cobre pode levar uma corrente, que dissipe um bit enquanto viaja. Similarmente, todas as moléculas em supercondutores normais conduzem a electricidade sem resistência quando o material é colocado na temperatura apropriada.

“Os estados conhecidos de matéria eletrônica são isoladores, metais, ímãs, semicondutores e supercondutores, e cada um deles trouxe-nos a nova tecnologia,” disse M. Zahid Hasan, um professor adjunto da física em Princeton que conduziu a equipa de investigação. “Os supercondutores topológicos são superconducting em toda parte mas na superfície, onde são metálicos; isto conduz a muitas possibilidades para aplicações.”

Hasan e seus colegas publicaram seu resultados o 1º de novembro na física da natureza do jornal.

De acordo com Hasan, um dos usos potenciais os mais emocionantes para o material estaria nos computadores energia-eficientes do quantum que teriam a capacidade para identificar erros no cálculo enquanto ocorrem e os resistem durante o processamento. A revelação bem sucedida de tais máquinas é pensada para articular-se no travamento e as partículas indescritíveis de manipulação chamadas os fermions de Majorana, que foram previstos primeiramente mais de 70 anos há mas nunca antes observadas, Hasan explicaram. A personalidade eletrônica da separação dos supercondutores novos com propriedades de superfície incomuns, quando colocada em contacto com um tipo especial do isolador, pode permitir cientistas de persuadir os elétrons que silvam aproximadamente na superfície para transformar-se fermions do Majorana, ele adicionou.

“Estes supercondutores altamente incomuns são os berçários os mais ideais para criar e manipular os fermions do Majorana, que poderiam ser usados para fazer a computação de quantum em uma maneira falha-resistente” disseram L. Andrew Wray, primeiro autor do papel, que recebeu seu doutoramento de Princeton em 2010. “E porque as partículas existiriam em um supercondutor, poderia ser possível manipulá-los nos baixos dispositivos do potência-consumo que são não somente “verdes, “mas também imune aos problemas de superaquecimento que acontecem a eletrônica silicone-baseada actual.”

A advertência significativa é que toda a aplicação potencial poderia ser várias décadas durante o processo de desenvolvimento.

“Naturalmente, toma o tempo ir da física nova à nova tecnologia -- geralmente 20 a 30 anos, como era o caso com semicondutores,” Hasan disse.

O achado inicial dos isoladores começa o trajecto à descoberta

Em 2007, uma equipa de investigação Hasan-conduzida relatou a descoberta de isoladores topológicos tridimensionais -- uma raça estranha do isolador com uma superfície metálica. Quando os isoladores topológicos tridimensionais puderem ter o potencial para o uso na eletrônica da próxima geração, suas propriedades apenas não são ideais para o uso em computadores do quantum, Hasan disse.

Loja de computadores do quantum e informação de processo usando o comportamento do “quantum” de partículas subatômicos -- fenômenos que ocorrem na escala ultrasmall e são completamente em desacordo com o mundo que pode ser visto pelo olho nu, tal como a capacidade dos elétrons para estar em dois lugares diferentes ao mesmo tempo. Os computadores do quantum poderiam um dia permitir a manipulação dos dados nas velocidades que excedem distante as máquinas convencionais de hoje, que estão aproximando ràpida os limites fundamentais de suas capacidades de computação.

Contudo, os esforços para criar a alto-execução de computadores do quantum foram impedidos pelo comportamento notòria inconstante e imprevisível das partículas na escala do quantum.

Por os dois anos passados, Hasan e seus colaboradores tweaking as propriedades de um isolador topológico chamado selenide do bismuto para criar um material com uma superfície metálica e um interior superconducting, que tivessem propriedades bem - serido à exploração na eletrônica do futuro.

Para fazer um supercondutor com comportamento topológico, ou o professor Robert propriedades, da química de superfície incomuns de Princeton oco e seu grupo de investigação inventaram um tipo novo do cristal introduzindo átomos do cobre na estrutura de estrutura atômica de um semicondutor feito fora do selenide composto do bismuto. Este processo, chamado intercalação que lubrifica, é um método usado para mudar o número de elétrons em um material e em uma emenda suas propriedades elétricas.

Os cientistas descobriram que, com a quantidade direita de lubrificação, podiam transformar o cristal em um supercondutor em temperaturas muito baixas -- abaixo de 4 graus de Kelvin, ou de ao redor -452 graus Fahrenheit. Contudo, os resultados laboratório-baseados iniciais sugeriram que o supercondutor não pudesse reter propriedades topológicas indefinidamente, embora 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 a espectroscopia de raio X para bombardear o cristal com raios X e “estale” elétrons individuais fora do material. Estes elétrons foram analisados então, fornecendo uma série de indícios que permitiram que a equipe determinasse a verdadeira natureza do cristal.

Estes testes do raio X descobriram que os cientistas, tinham criado certamente um supercondutor topológico. Além disso, encontraram que os elétrons na superfície metálica do cristal não eram elétrons normais. Um pouco, a superfície caracterizou os elétrons raros que actuam como a massa-menos, partículas claras. Os cientistas reconheceram as partículas porque a primeira observação directa de tais elétrons, chamada fermions helicoidais de Dirac, em materiais tridimensionais foi relatada no ano passado por uma equipa de investigação Hasan-conduzida separada.

A teoria científica, pelo físico Charles Kane da Universidade da Pensilvânia, prevê que se um supercondutor topológico devia ser colocada em contacto com um isolador topológico, alguns dos elétrons na relação poderiam se transformar fermions muito procurados do Majorana se o material composto foi colocado em um campo magnético muito forte.

As partículas são desejáveis nos dispositivos electrónicos porque, quando os elétrons normais tiverem uma carga negativa, os fermions do Majorana são neutros. Esta natureza da carga-menos significa que não interagiriam um com o otro, nem seriam afectados pelas outras cargas nos átomos circunvizinhos que compo o cristal.

Porque os fermions não seriam atraídos nem não foram repelidos por partículas e por átomos próximos, viajariam em trajectos muito predizíveis, predeterminados -- e isto é o lugar onde seu potencial verdadeiro se encontra.

Se o movimento de fermions múltiplos do Majorana poderia ser previsto, a seguir computadores do quantum que a informação armazenada nestas partículas poderia ser falha-tolerante, ou resistente topológico aos erros, explicou. Isto poderia mais ser estendido aos métodos de projecto que permitiriam o computador “sabem” que tinha executado um cálculo errado e correcto para o erro.

“Há muitos tipos diferentes de supercondutores topológicos e a identificação exacta dos supercondutores actuais exigirá umas experiências mais adicionais,” Hasan adicionou.

Além do que Hasan, oco e Wray, que é agora um companheiro pos-doctoral na facilidade avançada de fonte luminosa no laboratório nacional de Lawrence Berkeley, cientistas de Princeton na equipe incluída: aluno diplomado SU-Yang Xu; teixo anterior San Hor dos pesquisadores pos-doctoral e dong Qian; e Yuqi Xia, que recebeu seu doutoramento de Princeton em 2010. Pesquisadores adicionais na equipe Alexei incluído Fedorov da fonte luminosa avançada no laboratório de Berkeley e o Hsin Lin e Arun Bansil, ambos a universidade do nordeste.

“Este é um resultado emocionante por Zahid Hasan e colegas de trabalho que constrói em sua descoberta experimental precedente do primeiro estado topológico tridimensional de matéria, o isolador topológico,” disse Joel Moore, um professor adjunto da física na universidade de Califórnia-Berkeley e um membro da classe de Princeton de 1995.

Os “teóricos acreditam que se um isolador topológico pode ser feito superconducting, o estado resultante teria diversas propriedades notáveis,” Moore disseram. “O mais exótico pôde ser a existência de um tipo novo da partícula emergente, o fermion do Majorana…. Nós soubemos por algum tempo que os sólidos compo de núcleos e de elétrons ordinários podem hospedar partículas “emergentes” com propriedades mais estranhas, tais como a carga fracionária, mas o fermion do Majorana, que tem a massa zero e as zero cargas, pudemos ser os mais estranhos de tudo. Quando nenhuma medida puder confirmar a existência da supercondutividade topológica, o trabalho por Hasan é uma etapa considerável no sentido correcto.”

Nos projectos futuros, Hasan e seus colaboradores esperam detectar fermions do Majorana e inventar maneiras de controlar suas propriedades. Adicionalmente, o grupo de investigação apontará identificar outros tipos de supercondutores topológicos e de isoladores topológicos. Dois objetivos importantes serão encontrar os materiais topológicos que exibem a supercondutividade em umas mais altas temperaturas e nos isoladores topológicos cujo o interior está isolando altamente.

Source: http://www.princeton.edu/

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