Новый путь к электронике без потерь

Группа исследователей НИИ RIKEN Токийского университета (UT) представила новый материал, в котором, возможно, будут исключены потери при передаче электрического тока. Методология решения этой классической проблемы основана на в высшей степени экзотическом типе магнитного полупроводника, известного как топологический магнитный изолятор.

Разработка энергосберегающих технологий — одна из центральных задач современной науки. Работая над проблемами освоения альтернативных источников энергии, таких как ветер и солнце, ученые и инженеры ищут разные пути решения этой задачи.

Одно из направлений исследований во всем мире — поиск путей снижения потерь при передаче электрического тока. По некоторым оценкам, потери электроэнергии при ее передаче составляют до 10% всей производимой энергии. Исследовательский коллектив института RIKEN продемонстрировал новый материал — топологический магнитный изолятор, который может обеспечить исключение этих потерь.

Совместная работа исследователей RIKEN/UT имеет непосредственную связь с выдающимся открытием, сделанным в 1980-х годах, — так называемым квантовым эффектом Холла. Этот эффект, как теперь известно, позволяет формировать каналы передачи электричества без потерь, но для этого требуются огромные магниты, которые производят поля в 100 000 раз больше магнитного поля Земли. Исследователи RIKEN/UT преодолели это препятствие, используя экзотический тип полупроводника, который, по расчетам, должен обладать аналогичным эффектом. В противоположность квантовому эффекту Холла, этот эффект, известный как аномальный квантовый эффект Холла, определяется собственным магнетизмом полупроводника в большей степени, чем внешним магнитным полем. Сутью этого феномена является взаимодействие между ионами магнита и током топологического изолятора, который несет частицы, известные как фермионы Дирака, которые уникальны, поскольку ведут себя как частицы, имеющие нулевую массу.

Коллектив RIKEN/UT продемонстрировал, что новый тип передачи без потерь можно использовать в прототипах транзисторов. В настоящее время эти устройства требуют для работы криогенного охлаждения, однако улучшение характеристик материалов дает надежду на повышение стабильности магнитов, что сделает возможным их работу при более высоких температурах. Исключая внешние факторы, такие как магнитные поля и, в будущем, криогенное охлаждение, использование этих новых топологических магнитных изоляторов может представлять собой эффективный путь модернизации силовых электрических сетей.