Laddningen av en enda elektron, e, definieras som grundenheten för elektrisk laddning. Eftersom elektroner - de subatomära partiklarna som bär elektricitet - är elementära partiklar och inte kan delas, fraktioner av elektronisk laddning förekommer normalt inte. Trots detta, forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign har nyligen observerat undertecknandet av fraktionella laddningar från e/4 till 2e/3 i exotiska material som kallas topologiska kristallina isolatorer.

Forskargruppen, ledd av professor i mekanisk vetenskap och teknik Gaurav Bahl och fysikprofessor Taylor Hughes, har använt ultrahögfrekventa elektriska kretsar för att studera topologiska isolatorer sedan 2017. Deras senaste mätning av fraktionell laddning, förekommer i det aktuella numret av tidskriften Vetenskap , härrör från teamets teoretiska arbete med kristallina isolatorer.

Hughes förklarar, "Det kan tyckas konstigt att fraktionella laddningar till och med kan existera, med tanke på att elektroner är odelbara. Men när vi tittar på den totala laddningen av ett material, vi överväger bidrag från många elektroner. Beroende på hur de elektroniska avgifterna är ordnade i rymden, de kan samarbeta för att lämna efter sig en lokaliserad och kraftigt kvantiserad fraktion av laddning. "

Det enklaste exemplet på ett material som kan vara värd för fraktionella laddningar är en endimensionell kedja av atomer med en reflektionssymmetri i mitten. Om antalet positiva joner i kedjan är lika med antalet elektroner, allt ser laddningsneutralt ut. Dock, om siffrorna inte är lika, säg till exempel om en elektron saknas, den saknade negativa laddningen tvingas dela lika mellan kedjans två symmetriska sidor, lämnar en fraktionerad e/2 laddning på varje sida. "I de rotationssymmetriska material som vi studerar, bråkladdningar kan existera i enheter om 1/3, 1/4, eller till och med 1/6, beroende på den underliggande symmetrin, sa Hughes.

För att söka efter signaturen för dessa fraktionella avgifter experimentellt, laget byggde specialdesignade kretsar av mikrovågsresonatorer, som är enheter som absorberar elektromagnetisk strålning endast vid en specifik frekvens (ungefär samma frekvens som en mikrovågsugn). Dessa centimeterskala resonatorer fungerar som atomerna i ett verkligt material, möjliggör konstruktion och testning av ett brett spektrum av materialmöjligheter.

"Tyvärr, det är för närvarande inte möjligt att bygga en materiell atom för atom, och det är ofta svårt att hitta naturligt förekommande material med de egenskaper vi letar efter. Istället, vi byggde kretsanaloger av kristallerna som förutspåddes vara värd för fraktionella laddningar. Med denna metod, vi kan mäta hur dessa kretsar absorberar strålning och använda det för att beräkna hur elektroner skulle bete sig i en analog solid-state-kristall, "delade elektroteknik doktorand och huvudförfattare Christopher Peterson.

Tidigare teoretiska studier hade antytt att mätning av fraktionella laddningar är nyckeln till att identifiera en ny klass av material som kallas topologiska isolatorer av högre ordning, men det hade inte funnits något sätt att testa detta experimentellt. Efter att ha etablerat en ny metod för att mäta sådana fraktionella laddningar, forskarna kunde också utveckla och demonstrera ett nytt mått för att identifiera högordningstopologi.

Topologiska isolatorer har nyligen fått berömmelse för de robusta ledande kanalerna vid sina gränser, som förblir i perfekt skick även när materialet har defekter. Denna robusthet är mycket lockande eftersom den kan användas för att göra elektroniska och optiska enheter mer effektiva, genom att skydda överföringen av elektricitet eller elektromagnetiska vågor, trots tillverkningsfel eller skada. De nyupptäckta topologiska isolatorerna av högre ordning lägger till denna berättelse genom att vara värd för skyddade ledande kanaler vid gränsskärningspunkterna, t.ex. i hörn istället för kanter, vilket kraftigt kan utöka möjligheterna för robust teknik.

"Den nya identifieringsmetod som vi har visat kan göra det möjligt för forskare att entydigt identifiera topologiska isolatorer av vilken ordning som helst, använder sin bråkdelningssignatur. I sista hand, detta för med sig löftet om mer effektiva och robusta enheter baserade på topologiska material allt närmare verkligheten, "sa lagledaren Gaurav Bahl.