محاسبات مبتنی بر نظریه تابعی چگالی نشان می‌دهد که بعضی از عایق‌های توپولوژیک می‌توانند در دمای بالا به عایق‌های معمولی بدل شوند.

این روزها وارد هر کنفرانس فیزیک ماده چگالی که بشوید، عده‌ای را می‌بینید که درباره عایق‌های توپولوژیک صحبت می‌کنند. البته تعجبی هم ندارد، زیرا این مواد شگفت‌انگیزند و می‌توانند مسیری باشند به محاسبات کوانتمی همراه با تحمل خطا و قطعات الکترونیکی کارآمد. اکنون، بارتومیو مونسرات (Bartomeu Monserrat) و دیوید وندربیلت (David Vanderbilt) از دانشگاه راتگرز در نیوجرسی پیش‌بینی می‌کنند که این مواد می‌توانند در دمای بالا تبدیل به عایق‌های معمول شوند. این یافته غیرمنتظره، تاکید دیگری بر اهمیت نقش دما در کاربردهای آتی عایق‌های توپولوژیک است.

این دو محقق، اثر افزایش دما را بر ساختار نواری الکترونیکی عایق‌های توپولوژیکی محاسبه کردند که از خانواده موادی شامل سلنید بیسموت و سلنید آنتیموان ساخته شده‌اند. آن‌ها از نظریه تابعی چگالی (DFT) استفاده کردند که روش رایج برای محاسبه ساختار الکترونیکی جامدات و سطوح است. این پژوهشگران دریافتند که افزایش دما، گاف نواری این مواد را کاهش می‌دهد و حالات رسانای سطحی توپولوژیک آن‌ را از بین می‌برد. در این فرایند، انبساط گرمایی شبکه و جفت‌شدگی بین الکترون‌ها و فونون‌ها نقش برابری دارند.

این نتایج با مطالعات نظری پیشین (بدون استفاده از DFT) متفاوت است که ادعا داشتند در دمای بالا، حالات توپولوژیکی ارجحیت دارند. البته آن مطالعات انبساط گرمایی را درنظرگرفتند. به علاوه مونسرات و وندربیلت نمودار فاز سلنید آنتومان را استخراج کرده‌اند که دمایی را نشان می‌دهد که در آن گذار به حالت عایق معمول رخ می‌دهد.

این پژوهش در فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسیده است.

نویسنده: آنا لوپز سردبیر ارشد در ای‌پی‌اس فیزیک است.

منبع: Topological Insulators Feel the Heat