Den ”kvantiserade magneto-elektriska effekten” har visats för första gången i topologiska isolatorer vid TU Wien, som är inställd på att öppna nya och mycket exakta mätmetoder.

En ljusvåg som skickas genom tomt utrymme pendlar alltid i samma riktning. Dock, vissa material kan användas för att rotera i vilken riktning ljuset oscillerar när det placeras i ett magnetfält. Detta är känt som en "magneto-optisk" effekt.

Efter mycket spekulation under en lång tid, en variant av denna typ av effekt har nu visats på TU Wien för första gången. Istället för att ständigt byta ljusvågens riktning, specialmaterial som kallas 'topologiska isolatorer' gör det i kvantsteg i klart definierade portioner. Omfattningen av dessa kvantsteg beror enbart på grundläggande fysiska parametrar, såsom den fina strukturkonstanten. Det kan snart vara möjligt att mäta denna konstant ännu mer exakt med hjälp av optiska tekniker än vad som för närvarande är möjligt med andra metoder. De senaste fynden har nu avslöjats i open-access journal Naturkommunikation .

Topologiska isolatorer

"Vi har arbetat med material som kan ändra ljusets oscillationsriktning en tid nu, "förklarar professor Andrei Pimenov från Institute of Solid State Physics vid TU Wien. Som en allmän regel, effekten beror på hur tjockt materialet är:ju större avstånd som ska färdas av ljuset i materialet, desto större rotationsvinkel. Dock, detta är inte fallet för de material som Pimenovs team nu har undersökt närmare med hjälp av en forskargrupp från Würzburg. Deras fokus har varit på 'topologiska isolatorer', för vilken den avgörande parametern är ytan snarare än tjockleken.

Isolatorer på insidan, elektricitet kan vanligtvis ledas mycket effektivt längs ytan av en topologisk isolator. "Även när man skickar strålning genom en topologisk isolator, ytan är det som gör hela skillnaden, "säger Pimenov. När ljus sprider sig i detta material, strålens oscillationsriktning vrids av materialets yta två gånger - en gång när den kommer in och igen när den lämnar.

Det som är mest anmärkningsvärt här är att denna rotation sker i särskilda delar, i kvantsteg, snarare än att vara kontinuerlig. Intervallet mellan dessa punkter bestäms inte av materialets geometri eller egenskaper och definieras istället endast av grundläggande naturliga konstanter. Till exempel, de kan specificeras på grundval av finstrukturkonstanten, som används för att beskriva styrkan i den elektromagnetiska interaktionen. Detta kan öppna möjligheten att mäta naturliga konstanter med mer precision än vad som tidigare har varit fallet och kan till och med leda till att nya mättekniker identifieras.

Ökad mätprecision med specialmaterial

Situationen är liknande för quantum Hall -effekten, vilket är ett annat kvantfenomen som observerats i vissa material, i så fall kan en viss variabel (här elektrisk motstånd) stiga endast med vissa mängder. Quantum Hall-effekten används för närvarande för högprecisionsmätningar, med den officiella standarddefinitionen av elektriskt motstånd baserat på det. 1985, Nobelpriset i fysik delades ut för upptäckten av quantum Hall -effekten.

Topologiska material har också redan varit föremål för en Nobelpris -seger - den här gången 2016. Det förväntas att de senaste resultaten också kommer att göra det möjligt för material med speciella topologiska egenskaper (i detta fall topologiska isolatorer) att användas för specifika tekniska applikationer.