Till höger, en enhetscellutskärning på kretskortet, som byggdes för att demonstrera den icke-hermitiska hudeffekten, visas. I en), den underliggande teoretiska icke-ermitiska modellen skissas, som beskriver kopplingarna mellan intilliggande noder. (b) visar ett schematiskt diagram över hela kretskedjan med 20 enhetsceller med antingen periodiska (utan gräns) eller öppna gränsvillkor. (c) Kretsschema för den periodiskt upprepade enhetscellen med två interna noder. Kredit:Lehrstuhl für Theoretische Physik I / Universität Würzburg
Topologiska metamaterial används som en ny plattform för att utforska och studera extraordinära effekter. Istället för att använda naturliga material, forskare arrangerar artificiellt beståndsdelarna i ett topologiskt metamaterial i en regelbunden struktur. Ett sådant arrangemang är analogt med ett fast tillstånd där atomerna bildar ett kristallgitter. Vanligtvis, dessa plattformar används för att simulera särskilda egenskaper hos fasta ämnen för att göra dem mottagliga för experimentell undersökning.
Fysiker vid Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg i Bayern, Tyskland, utföra forskning på dessa topologiska metamaterial, ett centralt schema för Würzburg-Dresden Cluster of Excellence, ct.qmat.
Nya topologiska fenomen
Ett relaterat motiv för solid state-forskningen i Würzburg är upptäckten och karakteriseringen av nya topologiska fenomen. Detta gäller studiet av topologiska isolatorer, som är isolerande i huvuddelen, men har ledande yttillstånd. Forskare världen över ägnar sig åt intensiv forskning om dessa material eftersom de uppvisar övertygande fysiska fenomen. En dag, denna forskning kan leda till framsteg inom halvledarteknologi eller inom andra områden.
JMU-forskarna rapporterar om sina senaste resultat i tidskriften Naturfysik . Topologiska isolatorer betraktas vanligtvis som isolerade (hermitiska) system. I kontrast, forskare kan justera topologiska metamaterial för att studera konsekvenserna av energiutbyte med miljön. Dessa interaktioner påverkar systemets beteende utifrån, som skulle vara fallet för friktion. Den här vägen, de verifierade experimentellt den icke-hermitiska hudeffekten (NHSE) som tidigare förutspåtts i teorin.
Kretsens enhetscell innehåller två noder där spänningen mäts. Det arrangeras periodiskt för att likna kristallstrukturen hos ett fast ämne. Kredit:Julius-Maximilians-Universität Würzburg, JMU
Alla stater lokaliseras vid kanten
NHSE innebär att, i motsats till en vanlig topologisk isolator, inte bara en liten del utan alla tillstånd av materialet visas vid dess kant, dvs är lokaliserade där. Detta beskrivs av Tobias Helbig och Tobias Hofmann, publikationens gemensamma förstaförfattare. De är båda Ph.D. studenter i professor Ronny Thomales forskargrupp, chef för JMU-ordföranden för teoretisk fysik I.
"Vår forskning visar, bland annat, att de fysiska principerna som är kända från isolerade fasta tillståndssystem måste modifieras i grunden i det icke-hermitiska fallet, " förklarar doktoranderna. De nya rönen skulle ännu inte ha en direkt tillämpning. de har potential att förbättra mycket känsliga optiska detektorer, som ett exempel.
Elektriska kretsar som ett centrum för innovation inom grundforskning
Experimenten som ledde till de nya resultaten utfördes med gruppen av Dr. Tobias Kießling och JMU-ordföranden för experimentell fysik III. Ytterligare bidrag och idéer har förts fram av professor Alexander Szameit från universitetet i Rostock. JMU Physicists samarbetar med Szameits team på ämnet topologisk fotonik inom cluster of excellence ct.qmat.
För att demonstrera den icke-hermitiska hudeffekten experimentellt, JMU-teamet har använt elektriska kretsar med periodiskt arrangerade element. På grund av deras likhet med kristallstrukturen hos ett fast ämne, sådana artificiellt arrangerade experimentella miljöer klassificeras som ett metamaterial.
En strömmatning påläggs på vänster sida av en krets med 20 enhetsceller realiserade av en extern strömkälla. Oavsett platsen för exciteringen, spänningsfördelningen är på topp vid högerkanten och minskar exponentiellt mot vänster, som bekräftar lokaliseringen av alla stater vid den högra gränsen. Kredit:Julius-Maximilians-Universität Würzburg, JMU
Tillämpningar av topologisk materia i sikte
Prospektivt, forskargruppen vill undersöka samspelet mellan topologiska tillstånd och icke-hermitisk fysik ytterligare. En nyckelfråga kommer att vara i vilken utsträckning det topologiska skyddet av stater förblir intakt när interaktioner med miljön är närvarande.
I längden, teamet har för avsikt att gå vidare mot kvanthybridkretsar där de planerar att bädda in supraledande eller andra kvantmekaniska kretselement. Sådana kretsar erbjuder en mångsidig plattform för upptäckten av nya fenomen.
"Vi strävar efter att överföra insikterna från topologiska kretsar till andra metamaterialplattformar i jakten på potentiella tillämpningar, " säger professor Thomale. Detta inkluderar optiska inställningar som fotoniska vågledare. Där, topologiskt skyddade tillstånd i icke-hermitiska system kan visa sig vara relevanta i förbättringen av signalbehandling och detektorer såväl som i konstruktionen av en fotonisk kvantdator. Så småningom, det ultimata schemat i forskningen om topologiska metamaterial är återkopplingen av nya effekter till faktiska fasta tillstånd.
