Cтекла могут быть топологическими изоляторами

Согласно новой теоретической работе аморфные тела могут проводить ток по поверхности, но внутри оставаться изоляторами. Обладающие такими свойствами вещества называют топологическими изоляторами. У всех известных на сегодняшний день подобных веществ есть кристаллическая решетка. Статья физиков опубликована в журнале Physical Review Letters.

Топологические изоляторы обладают особыми свойствами благодаря взаимодействию электронов, что проявляется в зонной структуре на их поверхности. Эти уникальные поверхностные состояния, устойчивые к дефектам и другим несовершенствам, делают подобные материалы потенциально полезными в квантовых вычислениях. Ранее этот феномен рассматривали, исходя из строгой пространственной симметрии расположения атомов, но новая теоретическая работа показывает, что аморфные материалы, такие как стекла, также могут быть топологическими изоляторами. Этот результат может значительно расширить поиск новых топологических материалов.

Для топологических изоляторов характерны определенные симметрии. Например, многие из них симметричны по времени, то есть волновые функции электронов не изменяются при временном сдвиге. Физики в такой ситуации говорят, что эти симметрии «защищают» поверхностные состояния, то есть система не может переключиться в другое состояние без того, чтобы пройти через фазовый переход. В настоящее время усилия по поиску новых топологических изоляторов обычно исходят из предпосылки, что желаемые симметрии генерируются в упорядоченной структуре решетки, но ничто не препятствует появлению этих симметрий в некристаллическом материале.

Адхип Агарвала и Вижай Шеной из Индийского института науки в Бангалоре исследовали вопрос о том, может ли топологическое поведение проявляться в аморфных системах. Они рассматривают квадратную область с большим количеством узлов решетки, расположенных случайным образом. В каждом узле могут размещаться электроны на одном из нескольких уровней энергии, и электроны могут прыгать между соседними узлами. Авторы «перебирают» параметры, такие как плотность решетки и расстояние между уровнями энергии, и показывают, что в некоторых случаях у смоделированных материалов могут проявляться поверхностные токи, «защищенные» симметрией. Полученные результаты демонстрируют, что топологические изоляторы могут быть созданы путем создания стекол с сильным спин-орбитальным взаимодействием или включением атомов других элементов внутрь обычного изолятора.