В мире квантовой механики еще предстоит разгадать множество загадок, но ученые из Северо-Восточного университета считают, что они сделали открытие «святого Грааля», которое может помочь проложить путь к следующему поколению электронных устройств.

Их результаты, опубликованные недавно в Nature, сосредоточены в основном на открытии так называемого топологического изолятора аксиона, уникального состояния квантовой материи, о котором исследователи ранее только теоретизировали, по словам физика Аруна Бансила, который возглавлял группу исследователей на Северо-Востоке, участвующих в исследовании. В проекте приняли участие несколько десятков ученых из университетов по всему миру.

Это изолирующее состояние аксионов было реализовано, говорит Бансил, путем объединения определенных металлов и наблюдения их магнитоэлектрического отклика. В этом случае исследователи использовали твердотельный чип, состоящий из теллурида марганца-висмута, которые были склеены в двумерные слои, чтобы измерить полученные электрические и магнитные свойства.

Исследователи отмечают, что такое открытие имеет последствия для целого ряда технологий, включая датчики, коммутаторы, компьютеры и запоминающие устройства.

«Хранение, транспортировка и манипулирование магнитными данными могут стать намного быстрее, надежнее и энергоэффективнее», если ученые смогут интегрировать эти новые топологические материалы в будущие устройства, пишут исследователи.
«Это похоже на открытие нового элемента», — говорит Бансиль. «И мы знаем, что для этого будет много интересных приложений.»

Бэнсил говорит, что они выбрали это специфическое сочетание материала, который исследователи построили атом за атомом в небольшой кристаллической структуре, потому что его поверхность проводит электричество, в то время как общая структура в значительной степени непроводящая, или изолирующая-необычное свойство, которое создается сильной магнитоэлектрической связью слоев.

Другими словами, топологические изоляторы могут быть одновременно и проводниками, и изоляторами.

«Топологический аксионный изолятор обладает чудесной способностью, которая позволяет ему иметь очень прочные металлические или проводящие электроны на своей поверхности, даже если большая часть материала изолирует», — говорит Бансил. «Это было предсказано только теоретически—теперь это было реализовано экспериментально.»

Новый класс электронных устройств — так называемая спинтроника — полагается на эту манипуляцию квантовой структурой через нечто, называемое электроном «спином».» Спин, также называемый угловым моментом, описывает фундаментальное свойство электронов, определенное в одном из двух потенциальных состояний: вверх или вниз, говорит Бансил. Способ спина электронов влияет на направление магнитного поля при работе в любом твердом теле.

В то время как традиционная электроника зависит от батарей, которые хранят энергию в виде химической энергии, спинтронные устройства могут использовать магнитную энергию из специальных видов материалов, таких как чип теллурида марганца висмута, используемый в исследовании, без химической реакции, что делает его гораздо более эффективным «материалом—кандидатом» для будущей технологии, говорит Бансил.

Спиновые батареи такого типа все еще находятся в стадии разработки, но ученые считают, что топологические изоляторы могут быть ключом к раскрытию такой технологии. Исследователи предложили спинтронику как способ решения ряда проблем с современной электроникой, в том числе вопросов энергопотребления и оперативной скорости в компьютерах и других устройствах, которые полагаются на заряд, говорит он.

«Нет никаких сомнений в том, что следующее поколение электроники должно будет иметь низкое энергопотребление», — говорит Бансил. «Когда вы открываете для себя новые материалы, подобные этому, это открывает новые возможности. Такие новые виды материалов могут помочь внедрить совершенно новые технологии.»