Ett enda kretskort, förgrund, att när den förenas med andra bildar den experimentella uppsättningen av den quadrupole topologiska isolatorn. Upphovsman:L. Brian Stauffer
Forskare har tagit fram en "mänsklig skala" -demonstration av en ny materiefas som kallas quadrupol topologiska isolatorer som nyligen förutspåddes med hjälp av teoretisk fysik. Detta är de första experimentella fynden för att validera denna teori.
Forskarna rapporterar sina fynd i tidskriften Natur .
Teamets arbete med QTI föddes ur den tio år gamla förståelsen för egenskaperna hos en materialklass som kallas topologiska isolatorer. "TI är elektriska isolatorer på insidan och ledare längs deras gränser, och kan ha stor potential för att hjälpa till att bygga lågeffekt, robusta datorer och enheter, alla definierade i atomskala, "sade professor i mekanisk vetenskap och teknik och seniorutredare Gaurav Bahl.
De ovanliga egenskaperna hos TI gör dem till en speciell form av elektroniskt material. "Elektronersamlingar kan bilda sina egna faser inom material. Dessa kan vara välkända fasta, vätske- och gasfaser som vatten, men de kan också ibland bilda mer ovanliga faser som en TI, "sa medförfattare och fysikprofessor Taylor Hughes.
TI existerar vanligtvis i kristallina material och andra studier bekräftar TI -faser som finns i naturligt förekommande kristaller, men det finns fortfarande många teoretiska förutsägelser som måste bekräftas, Hughes sa.
En sådan förutsägelse var förekomsten av en ny typ av TI med en elektrisk egenskap som kallas ett fyrpolsmoment. "Elektroner är enstaka partiklar som bär laddning i ett material, "sade fysik doktorand Wladimir Benalcazar." Vi fann att elektroner i kristaller kollektivt kan ordna att ge upphov till inte bara att ladda dipolenheter - det vill säga parning av positiva och negativa laddningar - men också högordningsmultipoler där fyra eller åtta laddningar sammanförs till en enhet. Den enklaste delen av dessa högre ordningsklasser är fyrdubbar där två positiva och två negativa laddningar är kopplade. "
Det är för närvarande inte möjligt att konstruera en materiell atom för atom, än mindre kontrollera elektronernas fyrfaldiga beteende. Istället, teamet byggde en användbar skala analog av ett QTI med hjälp av ett material skapat från kretskort. Varje kretskort innehåller en kvadrat med fyra identiska resonatorer - enheter som absorberar elektromagnetisk strålning vid en specifik frekvens. Brädorna är arrangerade i ett rutmönster för att skapa en full kristallanalog.
Ett dipolmoment kan representeras av två laddningar, en positiv och en negativ, åtskilda i en dimension, ett fyrpoligt ögonblick kan representeras av fyra laddningar separerade i två dimensioner, etc. Kredit:Grafisk artighet Kitt Peterson.
"Varje resonator beter sig som en atom, och förbindelserna mellan dem beter sig som bindningar mellan atomer, "sa Kitt Peterson, huvudförfattaren och en elingenjörsexamen. "Vi applicerar mikrovågsstrålning på systemet och mäter hur mycket som absorberas av varje resonator, som berättar om hur elektroner skulle bete sig i en analog kristall. Ju mer mikrovågsstrålning absorberas av en resonator, desto mer sannolikt är det att hitta en elektron på motsvarande atom. "
Detaljen som gör detta till ett QTI och inte ett TI är ett resultat av detaljerna i anslutningarna mellan resonatorer, sa forskarna.
"Kanterna på en QTI är inte konduktiva som du skulle se i en typisk TI, "Sa Bahl, "Istället är det bara hörnen som är aktiva, det är, kanterna på kanterna, och är analoga med de fyra lokaliserade punktladdningarna som skulle bilda det som kallas ett fyrpolsmoment. Precis som Taylor och Wladimir förutspådde. "
"Vi mätte hur mycket mikrovågsstrålning varje resonator i vårt QTI absorberade, bekräftar resonantillstånden i ett exakt frekvensområde och ligger exakt i hörnen, "Peterson sa." Detta pekade på förekomsten av förutsägda skyddade stater som skulle fyllas av elektroner för att bilda fyra hörnladdningar. "
Dessa hörnladdningar för denna nya fas av elektronisk materia kan kunna lagra data för kommunikation och datorer. "Det kanske inte verkar realistiskt med vår modell i" mänsklig skala ", "Sade Hughes." Men när vi tänker på QTI på atomskala, enorma möjligheter blir uppenbara för enheter som utför beräkning och informationsbehandling, möjligen till och med i skala nedan som vi kan uppnå idag. "
Forskarna sa att överenskommelsen mellan experiment och förutsägelse lovade att forskare börjar förstå QTI:s fysik tillräckligt bra för praktisk användning.
"Som teoretiska fysiker, Wladimir och jag kunde förutsäga förekomsten av denna nya form av materia, men inget material har hittats ha dessa egenskaper hittills, "Hughes sa." Samarbete med ingenjörer hjälpte till att förverkliga vår förutsägelse. "
