Tellurid bismutu a topologické izolanty

neděle 29. listopad 2009 01:47

V tomto příspěvku se pokusíme nahlédnout pod pokličku fyzikům, kteří studují velmi aktuální téma tzv. topologických izolantů. To je nová třída materiálů, které vedou elektrický proud jen tenkou vrstvičkou svého povrchu a magnetickým polem je lze navíc donutit k tomu, aby vedly elektřinu pouze v jednom směru. Toto zvláštní chování bylo teoreticky předpovězeno již dříve - ale teprve nedávno se jej konečně podařilo prokázat experimentálně. První látkou, na které bylo toto chování ověřeno, byla sloučenina dvou zajímavých prvků: telluru a bismutu.

Tellur je stříbrošedá těžká látka s kovovým leskem, svůj název má od latinského názvu planety Země ("Tellus"). Od kovů se ale výrazně liší svou křehkostí a také nízkou elektrickou vodivostí v čistém stavu. Svou příbuznost k síře prozrazuje tím, že se po roztavení taje na tmavou kapalinu, která vyvíjí hnědočervené páry (viz obr. níže) - její teplota tání je ovšem na rozdíl od síry mnohem vyšší (asi 990 °C). V přírodě je tellur velmi vzácný, ale vzniká v dosti značném množství jako odpad při elektrochemickém čistění mědi z australských dolů, takže jeho cena na světových trzích ve srovnání s jinými vzácnými kovy není přiliš vysoká. To se však může rychle změnit, jakmile by se pro něj nalezlo širší využití při výrobě termočlánků nebo solárních článků. Také černá přepisovatelná cédéčka obsahují slitinu telluru - využívá se zde toho, že roztavený tellur při rychlém ochlazení tuhne podobně jako síra na sklovitou látku s lesklým povrchem (prázdné či smazané médium). Lehkým zahřátím pod bod tání jeho vrstva zkrystaluje, stane se matnou a špatně odráží světlo. Záznam lze dle potřeby opět vymazat roztavením záznamové vrstvy paprskem laseru.

Krystal čistého telluruTellur roztavený v křemenné zkumavce uvolňuje hnědožluté páry

Bismut patří mezi těžké kovy, které jsou známy lidstvu již od starověku. Má řadu zajímavých vlastností - růžový lesk a nízkou teplotu tání, která se dále snižuje přísadou olova a cínu, čímž vzniká slitina, která taje již v horké vodě (Woodův kov). Krystaly bismutu získané pomalým ochlazováním taveniny mají krásné tvary a kovově měňavé zbarvení (viz obr. vlevo). Společně se rtutí má bismut nejnižší tepelnou vodivost ze známých kovových prvků a při tuhnutí zvětšuje svůj objem, podobně jako led. Toho se využívá k lití do forem při vytváření přesných replik různých předmětů. Tyčinka bismutu při ohýbání vrže a postupně se poddává tlaku jako vosk - při prudkém ohnutí se však náhle stává křehkou a přelomí se podobně jako tzv. inteligentní plastelína.

Krystaly bismutu připravené pomalým chladnutím taveninyIngoty kovového bismutu se vyznačují růžovým leskem

Slitina bismutu se rtutí (tzv. amalgám) má vzhled i hustotu olova a je docela měkká - ale při nárazu se roztříští na prach. Literární hrdina Kara Ben Nemsí ze známých Mayovek ji proto používal pro odlévání kulek, kterými Turkům lačnícím po pomstě dokazoval svou nesmrtelnost. Protože na rozdíl od olova je bismut mnohem méně jedovatý, začíná se používat jako ekologický kov do nábojů brokovnic, protože zatoulanými broky z bismutu se nemohou otrávit ani vodní ptáci, ani jejich lovci. Bismut je zajímavý také tím, že jej silný magnet odpuzuje (je tzv. diamagnetický) a celá řada anomálních magnetických jevů (např. Seebeckův, Nernstův, Shubnikovův a dHvA termomagnetický jev) byly objeveny právě na bismutu.  

Zvláštní vlastnosti obou prvků souvisejí s jejich strukturou, která je důsledek velmi vysokého počtu elektronů v jejich atomech a která se zajímavým způsobem kombinuje v jejich sloučeninách. Tellurid bismutu Bi2Te3 je stříbrolesklá krystalická látka, která se vzácně vyskytuje i jako samostatný minerál tellurobismutit na nalezištích v Čechách - např. na Petráčkově hoře poblíž Příbrami, kde doprovází nově objevená ložiska zlata v tzv. rožmitálské kře. Ingoty průmyslově vyráběného telluridu se čistí podobně jako křemík tzv. zónovým přetavováním, čímž vznikají dokonalé monokrystaly (na obrázku vpravo).

Ukázka přírodního tellurobismutitu Ingoty čistého telluridu bismutu, připravené zónovým tavením

Tellurid bismutu má zvláštní sloupcovitou strukturu (viz fotografie výbrusu z elektronového mikroskopu na obrácích níže). Tato vláknitá struktura vede špatně teplo podél vrstvy, ale velmi dobře napříč vrstvou, která pro vibrace atomů představuje tepelný zkrat. Protože tellur i bismut jsou tvořeny velmi těžkými atomy, jsou elektrony v telluridu bismutu jen slabě poutány k atomům. Jsou soustředěny ve volných prostorech mezi atomy, kam se vzhledem k velkému průměru atomů vejde jen málo elektronů současně, takže se začne uplatňovat geometrie jejich vzájemných odpudivých sil.

Vláknitá struktura telluridu bismutu pozorovaná napříč krystaly Vláknitá struktura telluridu bismutu pozorovaná podél krystalů

V důsledku toho volné elektrony kolem atomů nejsou rozloženy zcela volně, jako v běžných kovech, ale vytvářejí řídkou šestičetnou mřižku podobnou včelímu plástu (tzv. Wignerův krystal), podobně jako elektrony v grafitových vrstvičkách. Za nízkých teplot se elektrony rozdělují do tzv. Wannierových orbitalů, kde se vůči sobě vzájemně střídavě orientují podle svého spinu a tvoří tak strukturu, které se odborně říká topologický izolant.

Struktura krystalické mřížky telluridu bismutu,Orbitaly elektronů mezi atomy v mřížce telluridu bismutu

Chování elektronů v topologickém izolantu je zajímavé tím, že jsou z materiálu vytlačovány k jeho povrchu, kde se hromadí. Podobný stav byly pozorován již dříve na silně dopovaných vzorcích různých polovodičů a kovových oxidů manganu nebo niklu, ve kterých ochlazením postupně klesá koncentrace elektronů do té míry, že při určité teplotě náhle ztrácejí svou elektrickou vodivost (Mott-Hubbardův přechod) a mění se v tzv. Mottovy izolanty, pojmenované podle fyzika, který je ve 30. letech minulého století objevil. Ale příměsové atomy v polovodičích jsou rozmístěné náhodně a nikdy nemohou být rozloženy tak pravidelně, jako elektrony v krystalické mřížce telluridu bismutu. To dává topologickým izolantům některé výjimečné vlastnosti - např. elektromagnetické pole se v těchto materiálech šíří jako podélné vlny hustoty náboje - tzv. Blochovy vlny mezi jednotlivými elektrony. Na obrázku níže je simulace Mott-Hubbardova přechodu pomocí drobných elektricky nabitých částic prachu, které se vzájemně odpuzují podobně jako elektrony v mřížce telluridu. Je na ní vidět tvorba tzv. Mottových stavů s různým počtem elektronů na jeden Wannierův orbital při vzrůstající teplotě. Jakmile teplota stoupne natolik, že dojde ke vzájemnému propojení orbitalů, topologický izolant se stane opět elektricky vodivou látkou.

Mottovy stavy při postupně se zvyšující teplotě

Z praktického hlediska jsou topologické izolanty nejvíce zajímavé tím, že elektrický proud nevedou objemem materiálu - proto se jim tak říká - ale na povrchu krystalů, kde odpudivé síly elektronů nejsou vzájemně kompenzovány jsou elektrony vytlačeny z krystalu a tvoří na jeho povrchu tenkou vrstvičku, která vykazuje kovovou vodivost ve dvou rozměrech. Silným magnetickým polem jde navíc jeden směr potlačit a vodivost povrchu krystalu se pak bude lišit v jednotlivých směrech o pět až šest řádů! Toto chování je v současné fyzice pevných látek intenzívně studováno v souvislosti s tzv. kvantovým Hallovým jevem a kvantovými počítači, protože by umožňovalo vytvořit struktury pro paměťové buňky s roztečí na úrovni atomů, tedy s neuvěřitelně vysokou hustotou záznamu.

Topologický izolant studovaný pomocí rozptylu elektronů

Vědci proto doufají, že látky s dostatečně objemnými anionty odpuzující elektrony by mohly udržovat jednoelektronové Mottovy stavy i za pokojových teplot. Nedávno bylo na monokrystalech telluridu bismutu skutečně předvedeno, že tvoří trojrozměrný topologický izolant - na elektronových difraktogramech je možné zřetelně vidět šestičetnou symetrii nejtěsnějšího uspořádání elektronů v krystalické mřížce. Při vyšší teplotě se začnou elektronové vlny atomů vzájemně dotýkat i mezi atomy a topologický izolant se měni v kovový vodič (viz obr. výše vpravo).  

Creative Commons License
Blog, jehož autorem je Milan Petřík, podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Neužívejte dílo komerčně-Zachovejte licenci 3.0 Česko.

Milan Petřík

IftIrdwFJCxdlvYoyVCTIQzyKVzH04:5120.7.2011 4:51:05
NaďaMyslím si, že10:2529.11.2009 10:25:28
PetrikJeště názornější příklad06:3229.11.2009 6:32:20
PetrikZákladní princip topologického izolantu06:2229.11.2009 6:22:25
Karel JirásekAle pane Králi,ale,ale pane Králi.05:0829.11.2009 5:08:34
PetrikDaleko za obzorem jejích chápání04:3329.11.2009 4:33:41
vaclav kralČlověče zlatá02:4229.11.2009 2:42:36

Počet příspěvků: 7, poslední 20.7.2011 4:51:05 Zobrazuji posledních 7 příspěvků.

Milan Petřík

Milan Petřík

Aktuality a postřehy ze světa vědy

Astronomie, fyzika

REPUTACE AUTORA:
0,00

Seznam rubrik