топологический изолятор
Топологический изолятор — это материал, который в объёме является диэлектриком с запрещённой зоной, но на поверхности (или на краях) обладает проводящими состояниями, защищёнными топологическими инвариантами. Электронные поверхностные состояния описываются двумерным уравнением Дирака для безмассовых частиц и имеют линейный закон дисперсии. Важнейшее свойство — нечувствительность к беспорядку и примесям, пока сохраняется симметрия относительно обращения времени (или другая защитная симметрия). Топологическая защита означает, что состояние нельзя разрушить малыми возмущениями, не закрыв запрещённую зону в объёме.
История
В 2005 году учёные Чарльз Кейн и Юджин Меле теоретически предсказали, что графен может быть топологическим изолятором. Однако из-за слабого эффекта этого не случилось. В 2007 году Лоуренс Моленкамп и его группа впервые создали топологический изолятор на основе теллурида ртути. С тех пор открыто множество подобных материалов.
Как работает
Секрет в топологии — разделе математики, изучающем свойства, которые не меняются при плавных деформациях. Квантовые состояния электронов в таком кристалле «закручены», и эта закрученность сохраняется. Поэтому на поверхности электроны вынуждены двигаться в определённом направлении, не меняя курса даже при столкновении с неровностями кристалла. Это похоже на то, как вода в реке обтекает камень, не останавливаясь.
💡 Если нанести слой сверхпроводника на топологический изолятор, на границе могут возникнуть особые частицы — майорановские фермионы, которые являются собственными античастицами. Их существование предсказал итальянец Этторе Майорана в 1937 году.