Bir topolojik yalıtkanın kenar durumlarının ‘kırpılması’, Avustralya’daki Monash Üniversitesi’nde meydana getirilen yeni bir kuramsal çalışmada, alışılmadık ‘iki yönlü’ kenar taşıma özelliğine haiz yeni bir araç-gereç sınıfı ortaya çıkarıyor.
Topolojik kristal yalıtkan (TCI) olan yeni araç-gereç, topolojik araç-gereç ailesine ümit verici bir katkı sağlıyor ve topolojik olarak önemsiz özelliklere haiz malzemelerin kapsamını mühim seviyede genişletiyor.
Simetriye olan belirgin bağlılığı bununla birlikte kenar aktarımını manipüle etmek için yeni tekniklerin önünü açarak gelecekteki transistör cihazlarında potansiyel uygulamalar sunuyor. Mesela, önemsiz olmayan bant topolojisini destekleyen simetriyi kıran bir elektrik alanı yöntemiyle TCI’nın ‘anahtarlanması’, böylece kenar akımının bastırılması.
Bu çığır açan bulgu, spin akımlarının topolojik materyallerde iyi mi hareket ettiğine dair temel anlayışımızı mühim seviyede geliştirerek, bu ilgi çekici sistemlerin davranışlarına dair kıymetli bilgiler sağlıyor.
Topolojik İzolatörlerin Ortak Tanımına Güçlük
FLEET’in vizyonuna nazaran topolojik yalıtkanların zarif tanımını alıntılayarak başlamış olalım:
“Topolojik yalıtkanlar elektriği yalnızca kenarları süresince ve kesinlikle tek yönde iletirler. Bu tek yönlü yol, dirençten dolayı enerji kaybı olmadan elektriği iletiyor.”
Sadece Monash Üniversitesi’ndeki hesaplamalı grup tarafınca yürütülen bu yeni kuramsal emek harcama, yeni bir tür kenar aktarımını ortaya çıkararak standart topolojik-fizik görüşüne meydan okuyor ve bu da ‘kesinlikle tek yönde’ ifadesinin tekrardan değerlendirilmesine yol açıyor.
Bu ifadeyi değişiklik yapmak rahat bir iş değildir. Topolojik araç-gereç, ‘yığın-kenar uyumu’nun katı toprağına kök salmış büyük bir ağaca benzer; bu, yığının kendine özgü özelliklerinin kenar akımının doğasını belirleyeceği anlamına gelir.
Tıpkı bir ağacın şeklini ve sağlığını korumak için budamaya gereksinim duyması benzer biçimde, topolojik bir malzemenin kenar durumlarının da elektronik ve spintronikteki çeşitli uygulamalara uyum sağlayacak şekilde uyarlanması gerekir.
Araştırma ekibi, bahçecilik rutinlerinde meydana getirilen budama çalışmasına benzer şekilde, toplu kenar etkileşimleri yöntemiyle kenar durumlarını manipüle etmek için yeni bir yöntem önererek, 2 boyutlu bir topolojik araç-gereç olan düzlemsel bizmutinde yeni bir tür kenar döndürme akımı çıkarma hedefine başarıyla ulaştı.
Bu çığır açan bulgu, spin akımlarının topolojik materyallerde iyi mi hareket ettiğine dair temel anlayışımızı mühim seviyede geliştirecek ve bu ilgi çekici sistemlerin davranışlarına dair kıymetli bilgiler sağlayacak.
Bakışım Korumalı Topolojide Gizli saklı Alışılmadık Döndürme Dokusu
Topolojik kristal yalıtkan (TCI) olarak adlandırılan yeni keşfedilen araç-gereç, yığın içinde belirli kristal simetriler mevcut olduğu sürece iletken kenar akımlarının esnek kalması ilkesiyle çalışan, topolojik araç-gereç ailesine ümit verici bir katkı olarak duruyor.
TCI’nın keşfi, topolojik olarak önemsiz özelliklere haiz malzemelerin kapsamını mühim seviyede genişletti. Simetriye olan belirgin bağlılığı, bununla birlikte, transistörlü cihazlarda potansiyel uygulamalar sunan, kenar aktarımını manipüle etmek için yeni tekniklerin önünü açıyor.
Mesela, TCI’yı kuvvetli bir elektrik alanına maruz bırakarak, önemsiz olmayan bant topolojisini destekleyen bakışım bozulduğunda kenar akımı bastırılabilir. Alan kaldırıldığında, iletken kenar akımları derhal geri döner ve TCI’nin transistör cihazlarına entegrasyon için ideal olan avantajlı isteğe bağlı anahtar hususi durumunu gösterir.
Alternatif bir topolojik koruma biçimi sunmanın ötesinde, TCI’nin coşku verici potansiyeli daha da ileri gidiyor. Araştırma ekibi, daha önceki raporlarda gözden kaçırılan bir olgu olan, iki boyutlu TCI bizmuteninin kenarında gizlenmiş alışılmadık bir türde spin aktarımını ortaya çıkardı.
FLEET Baş Araştırmacısı Prof Nikhil Medhekar (Monash), atomik olarak ince topolojik yalıtkanların ve arayüzlerin elektronik yapısını araştırmak için devasa paralel yüksek performanslı data işlem sistemlerinde ilk ilke kuantum simülasyonlarını gerçekleştiriyor.
“Ortak inanç, TCI’nin, her bir dönüş akımı akışının (döndürme yada döndürme) kesinlikle bir yönde hareket etmiş olduğu topolojik yalıtkanlarda gözlemlenen aynı kenar taşıma modunu sergilediği yönünde olsa da, bulgularımız TCI düzlemsel bizmutenin yeni bir şeye ev sahipliği yaptığını ortaya koyuyor. Ayna simetrisi ile korunan dönme taşıma türü Monash’ta araştırma görevlisi olan baş yazar Dr Yuefeng Yin açıklıyor.
Bu modda, dönüş akımı artık kenar süresince durağan(durgun) yönlerle sınırı olan değil.”
Bu yeni bulunan spin taşıma modu, topolojik cihazlar için yenilikçi tasarım konseptlerinin kilidini açarak, “hem net dönüş aktarımı olmayan saf yük akımı, hem de net yük aktarımı olmayan saf dönüş akımları”—topolojik malzemelerin geleneksel anlayışıyla anlaşılamayan bir olasılık.
“Bu bulgu, FLEET’in düşük enerji tüketen elektronik cihazlar yaratma hedefine yetişme yolunda yeni bir yol açıyor,” diye ekliyor gene Monash’a bağlı ilgili yazar Prof Nikhil Medhekar.
“Zıt yönlerde hareket eden özdeş spin-polarize akışlar derhal kullanışlı görünmese de, öteki topolojik materyallerde başka türlü erişilemeyen spin manipülasyonu için yeni fırsatlar sunuyorlar.”
Araştırma ekibi, bu hesaplamalı atılımın, elektronik ve spintronik uygulamalarda bu yeni uç aktarımının potansiyelinden tam olarak yararlanmak için hem deneysel hem de kuramsal olarak daha ileri takip çalışmalarına esin vereceğini öngörüyor.
Toplu Kenar Etkileşimleriyle Döndürme Akımını Çıkarma
2D TCI düzlemsel bizmutende alışılmadık bir spin dokusunun keşfinin peşinden araştırma ekibinin amacı, toplu kenar etkileşimlerini kullanarak dolaşmış kenar bantlarından egzotik spin akımlarını çıkarmaktır.
‘Yığın-kenar etkileşimleri’ terimi, toplu bant topolojisini korurken yığın ve kenar bantları arasındaki hizalamayı seçici olarak ayarlamak için harici elektrik alanları ve substrat potansiyelleri uygulamak benzer biçimde çeşitli ayarlama stratejilerinin kullanılmasını ifade eder.
“Ayar faktörlerini dikkatli bir halde seçerek, kenar durumlarının belirli dallarını orijinal dolaşık konfigürasyondan izole edebiliriz.” Dr. Yuefeng Yin açıklıyor.
“Bu, tanımladığımız alışılmadık dönüş dokusunu daha çok araştırmak için oldukça mühim. Bu yaklaşımın bir öteki pozitif yanları da, sağlam kenar yazışmalarının sunmuş olduğu korumayı koruyabilmemizdir.”
Araştırma ekibi, büyük bir harici elektrik alanı ve zayıf alt katman potansiyeli kullanarak, kenardaki alışılmadık dönüş dokusunu izole edebilir ve toplu haldeki geleneksel dönüş taşıma bileşenlerini etkili bir halde gizleyebilir.
Ek olarak, bu yığın-kenar etkileşimleri, bir elektrik alanının uygulanmasının kenar bölgesinde bir bant aralığı açmış olduğu yönündeki yaygın anlayışın aksine, büyük bir dış elektrik alanın tesiri altında bile iletken kenar kanallarının varlığına izin vermektedir.
Araştırma ekibi ek olarak, substrat potansiyellerini seçici yörüngelere uygulayarak, topolojik yalıtkanlarda gözlemlenene benzer şekilde, kenar bölgesini tamamen geleneksel bir döndürme taşıma düzenine geri döndürme kabiliyetini de gösterdi.
Prof. Nikhil Medhekar’ın açıklamaları “Bu hakkaten dikkate kıymet bir bulgu. Topolojik malzemelerde yalnızca yeni bir tür kenar döndürme dokusunu ortaya çıkarmakla kalmadık, bununla birlikte titiz toplu kenar topolojisini korurken onu manipüle etmenin ve korumanın etkili bir yolunu da gösterdik.”
Araştırma ekibi, bu yenilikçi ‘topolojik bahçecilik tekniklerinin’ öteki topolojik sistemlere genişletilebileceğini ve kenar akımlarını manipüle etmek için verimli ve esnek araçlar sunabileceğini öngörüyor.
Emek harcama
Toplu kenar etkileşimlerini ayarlayarak iki boyutlu topolojik kristalin yalıtkan bizmutendeki alışılmadık dönüş dokusunun çıkarılması, şu adreste gösterildi: Günümüzün Araç-gereç Fiziği Temmuz 2023’te. (DOI: 10.1016/j.mtphys.2023.101168)
Bu yazıda kullanılan metodoloji, bizmutun iki boyutlu allotropları için Yerelleştirilmiş Wannier fonksiyonu tabanlı sıkı bağlanma modelleri başlıklı Monash ve RMIT arasındaki daha önceki FLEET işbirliğinden geliştirilmiştir; Yeni Fizik Dergisi Haziran 2021’de. (DOI: 10.1088/1367-2630/ac04c9)
Avustralya Araştırma Konseyi’nin desteğinin yanı sıra, çalışmada Avustralya Ulusal Hesaplamalı Altyapısı (NCI) ve Pawsey Süper Bilgisayar Merkezi’nin hesaplamalı kaynakları kullanıldı.
Kaynak: https://www.fleet.org.au/
Source: www.azonano.com