เรื่องราวของฉนวนทอพอโลยีเริ่มต้นด้วยวัสดุที่ทันสมัยที่สุดชิ้นหนึ่งของฟิสิกส์ ได้แก่ กราฟีน แผ่นอะตอมของคาร์บอนในรูปแบบรังผึ้งที่มีความหนาเพียงชั้นเดียว นักวิจัยได้กระตือรือร้นที่จะค้นพบว่าคุณสมบัติที่ผิดปกติใดที่เกิดจากการจัดเรียงอะตอมนี้ ซึ่งเป็นการค้นหาที่นำไปสู่การค้นพบพฤติกรรมที่เรียกว่าผลกระทบจากควอนตัมสปินฮอลล์
อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ผ่านวัสดุมีสองลักษณะ เรียกว่า
“สปินขึ้น” และ “สปินลง” รสชาติเหล่านี้หมายถึงอิเล็กตรอนที่หมุนเหมือนยอดเล็กๆ ในทิศทางตรงกันข้าม หมายความว่าพวกมันมีโมเมนตัมเชิงมุมตรงข้ามกัน ในวัสดุที่แสดงควอนตัมสปินฮอลล์เอฟเฟกต์ อิเล็กตรอนจะไม่เคลื่อนที่ภายในคริสตัล แต่จะไหลไปตามขอบของมันแทน อิเล็กตรอนที่มีสปินขึ้นจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางหนึ่ง ในขณะที่อิเล็กตรอนที่มีสปินดาวน์จะเคลื่อนที่ไปอีกทางหนึ่ง การไหลของอิเล็กตรอนอย่างเป็นระเบียบเช่นนี้ทำให้นักฟิสิกส์ตื่นเต้น ซึ่งคิดว่าพวกเขาอาจสามารถใช้ประโยชน์จากเอฟเฟกต์ควอนตัมสปินฮอลล์เพื่อสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ชนิดใหม่ได้
ภายในปี 2548 Charles Kane นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีแห่งมหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนียในฟิลาเดลเฟียและเพื่อนร่วมงานได้เสนอว่ากราฟีนสามารถแสดงผลควอนตัมสปินฮอลล์ และพวกเขาก็เริ่มไตร่ตรองว่าวัสดุอื่น ๆ จะทำเช่นนั้นได้อย่างไร ประเด็นสำคัญประการหนึ่งในสถานการณ์เชิงทฤษฎีนี้คืออิเล็กตรอนแบบหมุนขึ้นและหมุนลงของกราฟีนกำลังเคลื่อนที่ทับกันซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนอาจชนกัน
อย่างไรก็ตาม Kane ตระหนักดีว่าคุณลักษณะลึกลับของฟิสิกส์ควอนตัมสามารถป้องกันการชนดังกล่าวได้โดยการทำให้อิเล็กตรอนแบบหมุนขึ้นและลงแบบหมุนลงมีพฤติกรรมราวกับว่าพวกมันเคลื่อนที่ในช่องทางจราจรที่แยกจากกันและกำหนดไว้อย่างดี “หลอดไฟดับในหัวของฉัน” เขากล่าว “นั่นคือตอนที่ฉันรู้ว่ามีอะไรใหม่ ๆ เกี่ยวกับเรื่องนี้”
การคำนวณของเขาแสดงให้เห็นว่าคริสตัลบางชนิด
จะแสดงเอฟเฟกต์ขอบที่ผิดปกติเหล่านี้ด้วยการแบ่งทางหลวงของอิเล็กตรอนไหล โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุเหล่านี้มีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิด แต่ไม่เหมือนกันกับกราฟีน การเกลี้ยกล่อมให้กราฟีนทำงานในลักษณะนี้จำเป็นต้องใช้อุณหภูมิต่ำและความบริสุทธิ์ของผลึกที่ยากต่อการเข้าถึง แต่วัสดุชนิดใหม่ ซึ่งปัจจุบันเรียกว่า ลูกถ้วยทอพอโลยี ให้ทางเลือกที่เป็นไปได้มากกว่า
กระดาษเริ่มต้นของ Kane ซึ่งตีพิมพ์ร่วมกับเพื่อนร่วมงานชาวเพนซิลเวเนีย Eugene Mele ในPhysical Review Lettersในปี 2548 ถือเป็นการยอมรับครั้งแรกว่าอาจมีฉนวนทอพอโลยีอยู่ ภายในปี 2550 ทีมงานที่นำโดย Laurens Molenkamp จากมหาวิทยาลัย Würzburg ในเยอรมนี ได้สังเกตเห็นการทำงานของปรอทเทลลูไรด์เป็นฉนวนทอพอโลยีในสองมิติในห้องปฏิบัติการ และในปีต่อมา กลุ่มที่นำโดย Hasan ที่ Princeton ได้พบผลึกของบิสมัทพลวงที่ทำงานเป็นฉนวนทอพอโลยีในสามมิติ วัสดุทั้งหมดมีลักษณะเป็นฉนวนในปริมาณมาก แต่เป็นโลหะ – นำไฟฟ้า – ที่พื้นผิว
ในไม่ช้า เอกสารต่างๆ ก็ตามมาอย่างรวดเร็วและรุนแรง โดยคาดการณ์ว่าวัสดุใดที่อาจทำหน้าที่เป็นฉนวนทอพอโลยี จากนั้นจึงรายงานการสังเกตพฤติกรรมนั้น Joel Moore นักฟิสิกส์จาก University of California, Berkeley กล่าวว่า “พวกเราส่วนใหญ่รู้สึกตกใจกับความรวดเร็วของการพัฒนาการทดลอง
แนะนำ : ข่าวดารา | กัญชา | เกมส์มือถือ | เกมส์ฟีฟาย | สัตว์เลี้ยง
