На границах раздела всегда творится какое-то безобразие. То вам поверхностное натяжение, которое приводит к печальному эффекту перелома ног при прыжке с моста на газету, плавающую по поверхности воды. То вам специфическое поведение граничного слоя при закалке материалов.
Но есть и ещё более интересные эффекты! Например, проявление квантовых свойств на границах образца. Благодаря этому возможно наблюдать очень интересное явление - способность материала проводить электрический ток по своей поверхности и быть изолятором в объеме. Этакий скин-эффект, но вызванный не параметрами тока, а свойствами самого материала.
Материалы, которые способны проводить ток по поверхности и не могут проводить ток внутри своего объема, называются топологическими изоляторами. Сегодня известно более 20 соединений, которые являются трехмерными топологическими изоляторами. Например это теллурид и селенид висмута. Такие материалы были предсказаны ещё в 1980-х годах, но получить первый образец получилось лишь в 2007 году.
Очень часто в комментариях под моими статьями пишут - "Ой да не работает эта ваша квантовая физика, тьфу на вас"...Или "А где такое можно применить на практике???" Само по себе существование топологических изоляторов и есть пример работы квантовой физики в реальных материалах или проявление квантовых эффектов. Тут советую прочитать мою заметку про работу квантовых эффектов в наноматериалах.
Исходя из классического представления об электрическом токе, ток - это упорядоченное движение заряженных частиц. Для существования тока необходима подходящая среда. Например, в металлах - это электронный газ. Получается, что в случае топологического изолятора сама структура ведёт себя по-разному, пропуская ток по поверхности и не пропуская по объему. Но как это возможно, если структура топологического изолятора сама по себе гомогенная?!
Кстати, ленточные изоляторы тоже могут проводить ток по своей поверхности. Но топологические изоляторы характеризуются сохранением этих свойств на постоянной основе. Для ленточных изоляторов же это совпадение подходящих благоприятных условий.
Тут можно вспомнить, например, такой материал, как графен. Это отличный пример того, как могут меняться физические свойства при работе со слоем, толщиной в один атом. В некотором смысле можно сказать, что гомогенная структура топологического изолятора способна проявлять разные свойства именно благодаря слою на поверхности.
В умных книжках это объясняется так:
Проводящие свойства поверхности являются следствием сильного спин-орбитального взаимодействия, которое приводит к возникновению спин-расщепленных топологических поверхностных состояний с дисперсией так называемого дираковского типа, то есть линейной зависимостью энергии от импульса.
Если сильно упростить эту формулировку, то можно сказать, что проводить такой поверхностный слой может благодаря взаимодействию спинов структуры изолятора и внешних электронов от электрического тока. Магнитное поле толкает частицы и замещает работу электронного газа. Но это я так понял эту сложную формулировку. Возможно это не совсем корректно.
Но, с другой стороны, в википедии есть такая формулировка:
В 2008 году было предположено, что топологические изоляторы лучше всего понимать не как поверхностные проводники как таковые, а как объемные трехмерные магнитоэлектрики с квантованным магнитоэлектрическим эффектом.
Значит, моё понимание тоже не так далеко от истины и попытка упростить формулировку относительно успешная, поскольку приведенная выше цитата означает не что иное как - электрический ток в поверхностном слое топологических изоляторов проходит не в следствие наличия классических частиц проводимости, а благодаря появлению там этаких "магнитных рельсов", которые пропускают электрический ток. Но объяснять квантовые эффекты аналогиями из макромира - не самое правильное занятие. Тем и страшная квантовая физика, что там не работает привычная логика...
Если ваше понимание логики работы топологических изоляторов отличается - пишите свою версию в комментариях ;)
🚧🚧🚧
⚡ Подпишитесь на Telegram моего проекта и читайте интересные эксклюзивные заметки!
✅ Подписывайтесь на канал в ДЗЕНе и обязательно возвращайтесь! Обновления выходят регулярно👀
👍 Ставьте лайк материалу, чтобы поддержать проект!