Een groep natuurkundigen van het MIPT en het Landau Instituut voor Theoretische Fysica van de Russische Academie van Wetenschappen zijn nu een stap dichter bij het vinden van toepassingen voor topologische isolatoren - materialen met opmerkelijke elektrische eigenschappen, die tot voor kort werden als louter hypothetisch beschouwd. De onderzoekers kregen inzicht in de interactie tussen de atomen van magnetische onzuiverheden in dergelijke materialen.

Topologische isolatoren zijn een belangrijke ontdekking van de fysica van de 21e eeuw. Ze werden eerst theoretisch voorspeld en pas daarna experimenteel waargenomen. Het grootste deel van dergelijke materialen vertoont typisch halfgeleidergedrag. Maar hun eigenschappen aan het oppervlak (aan de rand) lijken erg op die van metalen. Bijvoorbeeld, elektrische stroom vrij kan stromen op hun oppervlak. Hun unieke eigenschappen zullen naar verwachting nuttig zijn voor het bouwen van elektronische circuits met minimaal warmteverlies, kwantumcomputers, en andere geavanceerde apparaten.

Echter, om praktische apparaten te maken op basis van topologische isolatoren, het is noodzakelijk om te begrijpen hoe hun eigenschappen worden beïnvloed door structurele onvolkomenheden, zoals de aanwezigheid van atomen met een magnetisch moment dat niet nul is. Het magnetische moment van een atoom kenmerkt de sterkte van het magnetische veld dat het atoom kan creëren.

De interactie tussen atomen met magnetische momenten - waaronder ijzer en mangaan - is in veel onderzoeken onderzocht. Het kan voorkomen in metalen en wordt dan de Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida interactie genoemd, ter ere van de vier theoretische natuurkundigen die het al in het midden van de jaren vijftig bestudeerden. Het komt ook voor in halfgeleiders, in dat geval staat het bekend als de indirecte uitwisselingsinteractie. Dit type werd oorspronkelijk theoretisch bestudeerd door Bloembergen en Rowland in 1955. Een andere belangrijke bijdrage aan de studie van de indirecte uitwisselingsinteractie werd geleverd door A. Abrikosov, een Sovjet- en Amerikaanse natuurkundige en Nobelprijswinnaar die de fundamentele vragen van de fysica van de gecondenseerde materie behandelde. Inzicht in de indirecte uitwisselingsinteractie, d.w.z. de bindingsenergie tussen magnetische atomen en de afhankelijkheid van temperatuur en de afstand tussen de atomen - stelt wetenschappers in staat te voorspellen hoe de magnetische momenten van deze atomen zullen worden uitgelijnd bij lage temperaturen in een bepaald materiaal.

In hun nieuwe krant die werd gepubliceerd in Fysieke beoordeling B , de onderzoekers onderzochten de interactie tussen atomen met niet-nul magnetische momenten nabij de rand van een tweedimensionale topologische isolator. Igor Burmistrov, een onderzoeker aan het Landau Instituut voor Theoretische Fysica, en Pavel en Vladislav Kurilovich, studenten van de sectie Problemen in de theoretische natuurkunde van de faculteit Algemene en Technische Natuurkunde, MIPT, bestudeerde de indirecte uitwisselingsinteractie tussen mangaanatomen in een tweedimensionale topologische isolator op basis van een CdTe/HgTe/CdTe-kwantumbron.

Het begrip "kwantumbron" betekent dat een dunne laag kwiktelluride, of HgTe, is ingeklemd tussen twee lagen cadmiumtelluride, CdTe. De twee verbindingen hebben verschillende kwantumeigenschappen die elektronen beperken tot de kwiktelluridelaag. Zij zijn, op een manier, gevangen op de bodem van de put en niet in staat om eruit te komen tenzij ze toevallig een specifieke energie hebben.

Burmistrov zegt, "De twee atomen met magnetische momenten kunnen op verschillende manieren op elkaar inwerken, afhankelijk van hun positie:als ze allebei dicht bij de rand zijn, ze gedragen zich alsof ze in een metaal zitten, maar als ze allebei van de rand verwijderd zijn, ze werken op dezelfde manier samen als in een halfgeleider."

De onderzoeker legde ook uit wat tweedimensionale topologische isolatoren speciaal maakt:"In een tweedimensionale topologische isolator, quasideeltjes bewegen in een vlak omdat de grootte-kwantisatie-energie hoger is in de kwantumput." Een systeem wordt gekwantiseerd genoemd wanneer zijn energie alleen discrete waarden kan aannemen, en groottekwantisatie verwijst naar wanneer dit zich voordoet vanwege de beperkte grootte van het systeem. Deeltjes in dunne films gedragen zich op een andere manier dan in klassieke systemen, zoals een stuk koperdraad of een halfgeleiderkristal.

De theoretische analyse, het belangrijkste, resulteerde in de voorspelling van een nieuw type indirecte uitwisselingsinteracties tussen atomen met magnetische momenten in een tweedimensionale isolator. Aan de ene kant, het is vergelijkbaar met de analoge interactie in metalen; anderzijds, het lijkt op wat er typisch gebeurt in halfgeleiders. Zo'n ongebruikelijke combinatie domineert de interactie tussen paren magnetische atomen, waarvan er één dichtbij de rand is en een andere er vanaf. Ondanks het feit dat deze theoretische bevindingen niet direct toepasbaar zijn, ze zijn belangrijk voor verder onderzoek naar het effect van magnetische atomen op de elektrische stroom langs de rand van een tweedimensionale topologische isolator.