ETH -fysiker har utvecklat en kiselskiva som beter sig som en topologisk isolator när den stimuleras med ultraljud. De har därigenom lyckats förvandla ett abstrakt teoretiskt koncept till en makroskopisk produkt.

Det vanliga förfarandet går så här:du har ett komplext fysiskt system och försöker förklara dess beteende genom en så enkel modell som möjligt. Sebastian Huber, Docent vid Institutet för teoretisk fysik, har visat att detta förfarande också fungerar omvänt:han utvecklar makroskopiska system som uppvisar exakt samma egenskaper som förutses av teori, men som ännu inte har observerats på denna nivå.

Han lyckades skapa ett illustrativt exempel för två och ett halvt år sedan. Tillsammans med sitt team, han byggde en mekanisk anordning av 270 pendlar som är anslutna med fjädrar på ett sådant sätt att installationen beter sig som en topologisk isolator. Det betyder att pendeln och fjädrarna är placerade så att en vibrationscitation från utsidan bara rör pendlarna vid installationens kanter, men inte de i mitten (som ETH News rapporterade).

Vibrationer endast i hörnen

Det nya projektet, som kommer att publiceras i veckan i tidningen Natur , är också inriktat på ett makroskopiskt system. Den här gången, dock, han skapade ingen stor mekanisk anordning, men ett mycket mer hanterbart objekt. Med sitt lag, Huber skapade en 10 x 10 centimeter kiselskiva som består av 100 små plattor anslutna till varandra via tunna balkar. Den viktigaste aspekten är att när skivan stimuleras med ultraljud, bara plattorna i hörnen vibrerar; de andra plattorna står stilla, trots deras kopplingar.

Huber drog sin inspiration till det nya materialet från ett verk som publicerades för ungefär ett år sedan av grupper från Urbana-Champaign och Princeton; forskarna presenterade en ny teoretisk metod för en andra ordens topologisk isolator. "I en konventionell topologisk isolator, vibrationerna sprider sig bara över ytan, men inte inuti, "förklarar Huber." Fenomenet reduceras med en dimension. "När det gäller pendelinstallationen, detta innebär att det tvådimensionella arrangemanget ledde till ett endimensionellt vibrationsmönster längs kanterna.

I en andra ordens topologisk isolator, dock, fenomenet reduceras med två dimensioner. Följaktligen, med en tvådimensionell kiselskiva, vibrationen sker inte längre längs kanterna, men bara i hörnen, vid en noll-dimensionell punkt. "Vi är de första som lyckas med att experimentellt skapa den förutsagda topologiska isolatorn av högre ordning, säger Huber.

Ett nytt teoretiskt koncept

Huber har återigen skapat något som beter sig på exakt det sätt som teorin förutsäger. För att lösa detta "omvända problem", han använde en systematisk process som han utvecklade tillsammans med gruppen som leds av Chiara Daraio, nu professor vid Caltech, och som han har publicerat i veckan i tidningen Naturmaterial . I stort sett, Huber visar hur en teoretiskt förutsagd funktionalitet kan förvandlas till betonggeometri. "I vårt exempel, vi testade det med mekaniska vibrationer, genom att koppla element med klart definierade vibrationssätt med svaga länkar, "säger Huber." Men processen kan också överföras till andra applikationer, till exempel optiska eller elektriska system. "

Expansion till den tredje dimensionen

Huber har redan tydliga planer för hur han ska gå tillväga:han vill uppnå en tredimensionell topologisk isolator av andra ordningen, där vibrationerna kan överföras endimensionellt. Han fick nyligen ett konsolideringsbidrag från European Research Council (ERC) för detta projekt. Huber förklarar grundtanken:"Vi staplar ett antal av dessa tvådimensionella strukturer ovanpå varandra, så att en tredimensionell form växer fram. I denna form, information eller energi kan ledas från punkt A till punkt B genom en endimensionell kanal. "

Huber kan tänka på några möjliga tillämpningar. Till exempel, sådana nya topologiska isolatorer skulle kunna användas för att bygga robusta och exakta vågledare för kommunikationsnät. De kan också vara till nytta inom energisektorn, till exempel för energiupptagning, där energi från en diffus omgivande källa är inriktad för tekniskt bruk.

Också av intresse för teoretiker

Hubers resultat kommer inte bara att vara av intresse för ingenjörer och materialforskare, men också teoretiska fysiker. "Nyckelfyndet ur en teoretisk synvinkel är att vissa topologiska isolatorer från andra ordningen inte matematiskt kan beskrivas som en dipol, som konventionella topologiska isolatorer är, men som fyrdubbar, som är mycket mer komplexa, "förklarar Huber." Det faktum att vi har kunnat implementera detta experimentellt i en makroskopisk struktur för första gången är därför också ett genombrott för teoretiker. "