Κάτω από την τρύπα του κουνελιού:Πώς τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν μέσω εξωτικού νέου υλικού
Για δεκαετίες, οι επιστήμονες ψάχνουν για νέα υλικά που θα μπορούσαν να φέρει επανάσταση στην ηλεκτρονική. Ένας υποσχόμενος υποψήφιος είναι μια κατηγορία υλικών γνωστών ως τοπολογικοί μονωτήρες, τα οποία έχουν τη δυνατότητα να διεξάγουν ηλεκτρική ενέργεια με πολύ μικρή αντίσταση. Αυτό θα μπορούσε να τα κάνει ιδανικά για χρήση σε τρανζίστορ επόμενης γενιάς, τα οποία είναι τα βασικά δομικά στοιχεία όλων των ηλεκτρονικών συσκευών.
Σε μια νέα μελέτη, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, Berkeley, έχουν ανακαλύψει έναν νέο τρόπο που τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν μέσω τοπολογικών μονωτήρων. Αυτό το εύρημα θα μπορούσε να δώσει πληροφορίες για το πώς να σχεδιάσουμε τοπολογικούς μονωτήρες με ακόμα καλύτερες ηλεκτρικές ιδιότητες, φέρνοντας μας ένα βήμα πιο κοντά στην επόμενη γενιά ηλεκτρονικών συσκευών.
Τοπολογικά μονωτήρα:Μια σύντομη εισαγωγή
Οι τοπολογικοί μονωτές είναι μια κατηγορία υλικών που χαρακτηρίζονται από τις ασυνήθιστες ηλεκτρονικές τους ιδιότητες. Σε συνηθισμένους μονωτήρες, τα ηλεκτρόνια εντοπίζονται σε συγκεκριμένα άτομα και δεν μπορούν να κινηθούν ελεύθερα. Σε τοπολογικούς μονωτές, ωστόσο, τα ηλεκτρόνια είναι σε θέση να κινούνται ελεύθερα κατά μήκος των άκρων του υλικού. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι τοπολογικοί μονωτήρες έχουν μια μοναδική δομή ζώνης, η οποία είναι η κατανομή ενέργειας των ηλεκτρονίων στο υλικό.
Η δομή της ζώνης ενός τοπολογικού μονωτή χαρακτηρίζεται από δύο χαρακτηριστικά:ένα χάσμα ζώνης και ένα τοπολογικό αμετάβλητο. Το κενό της ζώνης είναι μια περιοχή ενέργειας όπου δεν επιτρέπονται καταστάσεις ηλεκτρονίων. Η τοπολογική αμετάβλητη είναι ένας αριθμός που περιγράφει τις τοπολογικές ιδιότητες του υλικού.
Η τοπολογική αμετάβλητη ενός τοπολογικού μονωτή σχετίζεται με τον αριθμό των δηλώσεων ακμής που έχει το υλικό. Σε ένα δισδιάστατο τοπολογικό μονωτήρα, ο τοπολογικός αμετάβλητος είναι ίσος με τον αριθμό των καταστάσεων ακμής. Αυτό σημαίνει ότι ένα δισδιάστατο τοπολογικό μονωτικό με τοπολογική αμετάβλητη 1 θα έχει μια κατάσταση άκρης.
Πώς τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν μέσω τοπολογικών μονωτήρων
Στο προηγούμενο άρθρο, διερευνήσαμε τον τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν μέσω τοπολογικών μονωτήρων. Ανακαλύψαμε ότι τα ηλεκτρόνια είναι σε θέση να μετακινούνται ελεύθερα κατά μήκος των άκρων των τοπολογικών μονωτήρων DoDo ένα κενό των Ηνωμένων Εθνών, το οποίο είναι ένα τοπολογικό χαρακτηριστικό αυτών των υλικών.
Ο τρόπος με τον οποίο τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν μέσω τοπολογικών μονωτήρων είναι ανάλογος με τον τρόπο που το νερό ρέει μέσα από ένα ποτάμι. Σε ένα ποτάμι, το νερό ρέει κατά μήκος του ποταμού και τις όχθες του ποταμού. Σε έναν τοπολογικό μονωτήρα, τα ηλεκτρόνια ρέουν κατά μήκος των άκρων του υλικού.
Αυτή η αναλογία μπορεί να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε πώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν οι ιδιότητες των τοπολογικών μονωτήρων για τη δημιουργία νέων ηλεκτρονικών συσκευών. Για παράδειγμα, το γεγονός ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να ρέουν ελεύθερα κατά μήκος των άκρων των τοπολογικών μονωτήρων θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία τρανζίστορ που είναι ταχύτερα και πιο αποτελεσματικά από τα παραδοσιακά τρανζίστορ.
Συμπέρασμα
Οι τοπολογικοί μονωτές είναι μια πολλά υποσχόμενη νέα κατηγορία υλικών που έχουν τη δυνατότητα να φέρει επανάσταση στην ηλεκτρονική. Οι μοναδικές ιδιότητες αυτών των υλικών θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία νέων ηλεκτρονικών συσκευών που είναι ταχύτερες, πιο αποτελεσματικές και πιο ισχυρές από τις παραδοσιακές συσκευές.
