En ny studie ger det första beviset på exotiska partiklar, känd som fyrfaldiga topologiska kvasipartiklar, i den metalliska legeringen koboltmonosilicid. Publicerad i Förfaranden från National Academy of Sciences , denna omfattande analys, en som kombinerar experimentella data med teoretiska modeller, ger en detaljerad förståelse av detta material. Dessa insikter skulle kunna användas för att konstruera detta och andra liknande material med unika och kontrollerbara egenskaper. Upptäckten var resultatet av ett samarbete mellan forskare vid Penn, Universitetet i Fribourg, Franska National Centre for Scientific Research (CNRS), Max Planck Institutet för kemisk fysik av fasta ämnen, och University of Maryland.

Teorierna som ligger till grund för topologiska isolatorer, material med en ledande yta och en isolerande kärna, var pionjärer av Penns Charlie Kane och Eugene Mele, vinnare av 2019 års genombrottspris i grundläggande fysik. Genom sina teoretiska bidrag om topologi och symmetri, Kane och Mele postulerade existensen av denna nya klass av material, sådana som skulle kunna användas för att skapa högeffektiv elektronik eller kvantberäkningsplattformar.

"Men alla teoretikers önskan är att deras arbete ska översättas till den verkliga världen, " säger kemisten Andrew M. Rappe, som samarbetar med Kane och Mele om sätt att upptäcka verkliga material som har dessa exotiska egenskaper. "Den senaste tiden anställningen av professor Liang Wu tar vår topologiska fysikgrupp till en ny nivå, en där vi kan förstå materialen och observera deras egenskaper, allt på ett nära håll, samarbetsslinga."

Sedan han kom till Penn 2018, Wu och hans labb har använt optiska experiment för att studera hur ljus interagerar med topologiska material och är intresserade av att validera några av de existerande teorierna om denna klass av material. Förra året, Doktorand Zhuoliang Ni genomförde ljuspulslaserexperiment med koboltmonosilicid (CoSi) för att bättre förstå förhållandet mellan topologi och olinjär optik och för att se om de kunde använda detta material för att omvandla ljus till elektrisk ström. Data som de samlade tycktes antyda att det kan finnas några unika topologiska egenskaper hos CoSi. "Jag insåg att det finns något intressant i den optiska konduktiviteten i sig, "säger Wu, som sedan kontaktade Mele och Rappe om att utveckla en teori för att förklara resultaten av deras experiment.

Medan CoSi hade studerats tidigare, den nya data som samlats in av Wus labb var av högre kvalitet än tidigare arbete, tillåta forskarna att utveckla en modell som gav en mer robust förklaring av deras resultat.

"Topologisk fysiks förutsägelser föreslog att detta material borde ha några spännande egenskaper, såsom linjär optisk konduktivitet med ökande fotonenergi, men ett verkligt material har många fenomen på gång samtidigt, " säger Rappe. "Teoretiker gör gradvis sin modell mer komplicerad och realistisk, och experimenterna redogör för andra funktioner för att förenkla den experimentella presentationen. Det är så vi kommer överens om vilka egenskaper som kan tillskrivas de topologiska egenskaperna."

Efter nästan ett år av att analysera data och iterera på olika teorier, en av sakerna som stack ut var hur bra dessa modeller, allt från enkla till komplexa, kommit överens med varandra. "Det är förvånande att se den här nivån av enighet för oss själva, säger doktoranden Zhenyao Fang, som ledde den teoretiska delen av denna studie. "Vissa modeller är enbart härledda från fysikaliska teorier, och några är numeriska modeller härledda från första principmetoder, så det är förvånande att observera den här typen av överenskommelser mellan dem."

Nu, tack vare en kombination av renare data och robusta teoretiska modeller, denna sammanhållning mellan teorin och experimenten som visas i denna artikel representerar ett stort steg framåt, säger Wu. "Överensstämmelsen mellan experiment och teori är extremt bra, " tillägger han. "Här ger vi ett exempel på en omfattande kombination av experiment och teoretisk förståelse, och detta kan tillämpas på många andra nya material eller system som kommer att upptäckas i framtiden."

Eftersom CoSi är i en familj av material med en mycket vanlig kristallstruktur, materialet kan användas i legeringar med magnetism som är konstruerade för att ha mer komplexa topologiska magnetiska egenskaper på grund av en förmåga att styra deras designatom för atom.

Detta arbete är också ett exempel på Penns expertis inom topologisk fysik och banar väg för framtida experimentella och teoretiska framsteg inom detta område vid universitetet, säger Rappe. "Vi har nu en levande grupp som slår samman insatser inom topologisk elektronik och fotonik, " säger han. "Topologisk fysik växer, och vi har banat ett spår som andra människor kan följa med andra material för att designa önskvärda opto-elektroniska egenskaper."