Topologiska isolatorer av högre ordning med kvantiserade bulkpolarisationer och noll-dimensionella hörntillstånd lockar allt större intresse på grund av deras starka läge. Nyligen, forskare från Kina och Storbritannien visade i en 3D-topologisk krets existensen av en oktupol hörnstat, som induceras av bulkfältets oktopolmoment och topologiskt skyddas av tre reflektionssymmetrier mot pendling. Detta arbete är inte bara av grundläggande betydelse utan öppnar också dörren till förverkligandet av nya elektroniska topologiska enheter.

Topologiska faser av materia har varit ett av forskningsintressen inom fysik av kondenserad materia på grund av dess unika egenskaper när det gäller att utforma fascinerande material med kvantiserade invarianter i både elektronik- och fotoniksystem. Dessa faser har visat stor potential för lasning, kvantberäkningsplattform, och robust signalöverföring i optik, akustisk, och mekaniska system. Medan de flesta av topologiska isolatorers forskningsintressen har fokuserat på observation av skyddat icke -lokalt läge lokaliserat på ytan av ett bulkmaterial, den senaste tidens uppkomst av topologiska isolatorer av högre ordning (HOTI) har lett till upptäckter av topologiska gränstillstånd med dimensioner som är lägre än massans med mer än 1. Dessa kvantiserade flerpoliga hörnlägen i fler ordning är lokaliserade vid skärningspunkten mellan kanterna på en kvadrat ( 2-D, fyrpolsmoment) eller kubik (3-D, octupole moment) gitter, och skyddas av specialdesignade rumsliga symmetrier. Än så länge, studien av HOTI är mestadels begränsad till 2-D-fall, och deras hörntillstånd induceras antingen av fyrpolsmomentet eller 2-D Zak-fasen av bulkgitteret.

I en ny artikel publicerad i Ljusvetenskap och applikationer , ett team av forskare, ledd av professor Shuang Zhang från School of Physics and Astronomy, University of Birmingham, Storbritannien, Prof Tiejun Cui från State Key Laboratory of Millimeter Waves, Sydöstra universitetet, Nanjing, Kina, Prof. Yuanjiang Xiang från School of Physics and Electronics, Hunan University, Changsha, Kina och medarbetare har rapporterat experimentell observation av ett 0-D-hörnstatus i en tredimensionell (3-D) topologisk krets, som är byggt från ett 3D-kubiskt nätverk av induktorer och kondensatorer med avsiktligt utformade värden. De verifierar att ett sådant hörnstatus induceras av det icke-trivliga oktupolmomentet i 3D-kretsen, och är topologiskt skyddad av tre antikommuterande reflektionssymmetrier hos bulkgitteret. Detta uppnås genom att konstruera den dimeriserade kopplingen i varje minsta slinga (plack) i kretsen för att ha motsatt tecken till de andra tre, vilket gör denna krets till en kubikgitterversion av den berömda Hofstadter-modellen med π-flöde per plack. "Detta är avgörande för att generera ett syntetiskt magnetiskt π-flöde som träder på placket som slutligen ger oktubelhörnstatus i det ändliga systemet, "betonade de.

Kretsens topologiska egenskaper analyserades från kretsens bandstrukturer med både oändliga och ändliga gränsförhållanden. Detta uppnåddes genom att konstruera kretsen Laplacian och circuit Hamiltonian av kretsen baserad på Kirchhoff -lagen. De hittade ett isolerat midgap -läge i bandgapet i den ändliga bandstrukturen, vilket är octupole hörnstatus som är lokaliserad vid hörnet av den kubiska kretsen. För att verifiera deras teoretiska förutsägelse, de tillverkade ett prov som består av 2,5 × 2,5 × 2,5 enhetsceller (5 × 5 × 5 noder) med fem lager kretskort, och mätte impedansspektra mellan varje intilliggande kretsnod med användning av en vektornätverksanalysator (VNA). En distinkt topp identifierades tydligt från impedansspektrumet vid ett av kretshörnen vid exakt hörnfrekvensen (2,77 MHz), som bekräftades vara det oktupoliga hörnstat som de förväntade sig. De experimentella resultaten överensstämde väl med de teoretiska beräkningarna för impedansspektra vid alla kretsnoder. För att teoretiskt bekräfta topologin för hörnstatus som observerats i simuleringen och experimentet, de beräknade kretsens topologiska invariant genom en serie procedurer som kallas de kapslade Wilson -slingorna, och erhöll ett kvantiserat värde på 1/2 och 0, som motsvarar de icke -triviala och triviala staterna, respektive.

"Liknar 1D-kanttillståndet (2-D-yttillstånd) i konventionella 2-D (3-D) topologiska material, som uppvisar utmärkt immunitet mot defekter och störningar, 0D -hörnetillståndet i vår HOTI -krets är också mycket robust mot vissa typer av störningar. "För att utvärdera robustheten i octupole -hörnstatus, de gav den statistiska fördelningen av hörnetillståndets frekvens och massgapet från massan från ett antal störda system med olika variationer i kretskomponenterna. Det observerades att graden av frekvensförskjutning i hörnläget är proportionell mot slumpmässigheten i komponentvariationen, men dess topp kvarstår även vid 20% kretskomponentvariation. Ytterligare analyser utfördes också för att avslöja sambandet mellan bandgapet och robustheten i hörnstatuset under olika nivåer av komponentstörning.

"Det framgångsrika förverkligandet av oktopol topologiska isolatorer banar väg för framtida undersökningar av högdimensionella topologiska isolatorer som har multipolmoment utan att införa syntetiska dimensioner, dra nytta av de bekväma elektriska anslutningarna mellan noder på godtyckliga avstånd. "Författarna nämnde också att detta arbete kan utgöra en experimentell plattform för vidare undersökning av 3D-topologiska kretsar i högre ordning kombinerat med icke-hermitiska och olinjära effekter med anställning av aktiva och olinjära kretsanordningar såsom operationsförstärkare och varaktordioder.