Het 'gekwantiseerde magneto-elektrisch effect' is voor het eerst aangetoond in topologische isolatoren aan de TU Wien, die is ingesteld om nieuwe en zeer nauwkeurige meetmethoden te openen.

Een lichtgolf die door de lege ruimte wordt gestuurd, oscilleert altijd in dezelfde richting. Echter, bepaalde materialen kunnen worden gebruikt om de richting te roteren waarin het licht oscilleert wanneer het in een magnetisch veld wordt geplaatst. Dit staat bekend als een 'magneto-optisch' effect.

Na veel speculatie over een lange periode, een variant van dit type effect is nu voor het eerst aangetoond aan de TU Wien. In plaats van de richting van de lichtgolf voortdurend te veranderen, speciale materialen die 'topologische isolatoren' worden genoemd, doen dit in kwantumstappen in duidelijk gedefinieerde delen. De omvang van deze kwantumstappen hangt uitsluitend af van fundamentele fysieke parameters, zoals de fijnstructuurconstante. Wellicht is deze constante binnenkort met optische technieken nog nauwkeuriger te meten dan nu met andere methoden mogelijk is. De nieuwste bevindingen zijn nu onthuld in het open-access tijdschrift Natuurcommunicatie .

Topologische isolatoren

"We werken al een tijdje aan materialen die de richting van de oscillatie van licht kunnen veranderen, " legt prof. Andrei Pimenov van het Institute of Solid State Physics aan de TU Wien uit. Als algemene regel geldt het effect hangt af van hoe dik het materiaal is:hoe groter de afstand die het licht in het materiaal moet afleggen, hoe groter de draaihoek. Echter, dat is niet het geval voor de materialen die het team van Pimenov nu nader heeft onderzocht met hulp van een onderzoeksgroep uit Würzburg. Hun focus lag op 'topologische isolatoren', waarvoor de cruciale parameter het oppervlak is in plaats van de dikte.

Isolatoren aan de binnenkant, elektriciteit kan meestal zeer effectief langs het oppervlak van een topologische isolator worden geleid. "Zelfs wanneer straling door een topologische isolator wordt gestuurd, het oppervlak maakt het verschil, " zegt Pimenov. Wanneer licht zich in dit materiaal voortplant, de oscillatierichting van de straal wordt twee keer gedraaid door het oppervlak van het materiaal - één keer wanneer het binnenkomt en opnieuw wanneer het eruit gaat.

Wat hier het meest opmerkelijk is, is dat deze rotatie plaatsvindt in bepaalde delen, in kwantumstappen, in plaats van continu te zijn. Het interval tussen deze punten wordt niet bepaald door de geometrie of door eigenschappen van het materiaal en wordt in plaats daarvan alleen bepaald door fundamentele natuurlijke constanten. Bijvoorbeeld, ze kunnen worden gespecificeerd op basis van de fijnstructuurconstante, die wordt gebruikt om de sterkte van de elektromagnetische interactie te beschrijven. Dit zou de mogelijkheid kunnen openen om natuurlijke constanten nauwkeuriger te meten dan voorheen het geval was en zou zelfs kunnen leiden tot het identificeren van nieuwe meettechnieken.

Verhoogde meetnauwkeurigheid door speciale materialen

De situatie is vergelijkbaar voor het kwantum Hall-effect, wat een ander kwantumfenomeen is dat in bepaalde materialen wordt waargenomen, in dat geval kan een bepaalde variabele (hier elektrische weerstand) slechts met bepaalde hoeveelheden stijgen. Het quantum Hall-effect wordt momenteel gebruikt voor zeer nauwkeurige metingen, waarop de officiële standaarddefinitie van elektrische weerstand is gebaseerd. Terug in 1985, de Nobelprijs voor de Natuurkunde werd toegekend voor de ontdekking van het kwantum Hall-effect.

Topologische materialen zijn ook al het onderwerp geweest van een Nobelprijs-overwinning - dit keer in 2016. Naar verwachting zullen deze laatste resultaten het ook mogelijk maken om materialen met speciale topologische kenmerken (in dit geval topologische isolatoren) te gebruiken voor specifieke technische toepassingen.