ETH-natuurkundigen hebben een siliciumwafel ontwikkeld die zich als een topologische isolator gedraagt ​​wanneer deze wordt gestimuleerd met behulp van ultrageluid. Daarmee zijn ze erin geslaagd van een abstract theoretisch concept een macroscopisch product te maken.

De gebruikelijke procedure gaat als volgt:je hebt een complex fysiek systeem en probeert het gedrag ervan te verklaren door middel van een zo eenvoudig mogelijk model. Sebastiaan Huber, Universitair docent bij het Instituut voor Theoretische Fysica, heeft aangetoond dat deze procedure ook omgekeerd werkt:hij ontwikkelt macroscopische systemen die precies dezelfde eigenschappen vertonen die door de theorie worden voorspeld, maar die op dit niveau nog niet zijn waargenomen.

Tweeënhalf jaar geleden slaagde hij erin een illustratief voorbeeld te creëren. Samen met zijn team, hij bouwde een mechanisch apparaat van 270 slingers die door veren met elkaar verbonden zijn, zodat de installatie zich als een topologische isolator gedraagt. Dit betekent dat de slinger en veren zo zijn geplaatst dat een trillingsexcitatie van buitenaf alleen de slingers aan de randen van de installatie beweegt, maar niet die in het midden (zoals ETH News meldde).

Trilling alleen in de hoeken

Het nieuwe project, die deze week in het tijdschrift verschijnt Natuur , is ook gericht op een macroscopisch systeem. Deze keer, echter, hij creëerde geen groot mechanisch apparaat, maar een veel hanteerbaarder object. Met zijn team, Huber creëerde een siliciumwafel van 10 x 10 centimeter die bestaat uit 100 kleine plaatjes die via dunne balkjes met elkaar zijn verbonden. Het belangrijkste aspect is dat wanneer de wafer wordt gestimuleerd met behulp van ultrageluid, alleen de platen in de hoeken trillen; de andere platen blijven stil, ondanks hun connecties.

Huber liet zich voor het nieuwe materiaal inspireren door een werk dat ongeveer een jaar geleden werd gepubliceerd door groepen uit Urbana-Champaign en Princeton; de onderzoekers presenteerden een nieuwe theoretische benadering voor een topologische isolator van de tweede orde. "In een conventionele topologische isolator, de trillingen verspreiden zich alleen over het oppervlak, maar niet binnen " legt Huber uit. "Het fenomeen wordt met één dimensie verkleind." In het geval van de pendelinstallatie, dit betekent dat de tweedimensionale opstelling heeft geleid tot een eendimensionaal trillingspatroon langs de randen.

In een topologische isolator van de tweede orde, echter, het fenomeen wordt verminderd met twee dimensies. Overeenkomstig, met een tweedimensionale siliciumwafel, de trilling komt niet meer voor langs de randen, maar alleen in de hoeken, op een nuldimensionaal punt. "Wij zijn de eersten die erin zijn geslaagd experimenteel de voorspelde topologische isolator van hogere orde te creëren, ", zegt Huber.

Een nieuw theoretisch concept

Huber heeft weer iets gecreëerd dat zich precies zo gedraagt ​​als de theorie voorspelt. Om dit "omgekeerde probleem" op te lossen, hij gebruikte een systematisch proces dat hij samen met de groep onder leiding van Chiara Daraio ontwikkelde, nu een professor aan Caltech, en die hij deze week in het tijdschrift heeft gepubliceerd Natuurmaterialen . In grote lijnen, Huber laat zien hoe een theoretisch voorspelde functionaliteit kan worden omgezet in concrete geometrie. "In ons voorbeeld we hebben het getest met mechanische trillingen, door het koppelen van elementen met duidelijk gedefinieerde trillingsmodi met behulp van zwakke schakels, ", zegt Huber. "Maar het proces kan ook worden overgedragen naar andere toepassingen, zoals optische of elektrische systemen."

Uitbreiding naar de derde dimensie

Huber heeft al duidelijke plannen hoe het verder moet:hij wil een driedimensionale topologische isolator van de tweede orde realiseren, waarin de trillingen eendimensionaal kunnen worden overgedragen. Voor dit project ontving hij onlangs een Consolidator Grant van de European Research Council (ERC). Huber legt het basisidee uit:"We stapelen een aantal van deze tweedimensionale structuren op elkaar, zodat er een driedimensionale vorm ontstaat. In deze vorm, informatie of energie kan worden geleid van punt A naar punt B via een eendimensionaal kanaal."

Huber kan enkele mogelijke toepassingen bedenken. Bijvoorbeeld, dergelijke nieuwe topologische isolatoren zouden kunnen worden gebruikt om robuuste en nauwkeurige golfgeleiders voor communicatienetwerken te bouwen. Ze kunnen ook van pas komen in de energiesector, bijvoorbeeld voor het oogsten van energie, waarin energie uit een diffuse omringende bron wordt gefocust voor technologisch gebruik.

Ook interessant voor theoretici

De resultaten van Huber zullen niet alleen interessant zijn voor ingenieurs en materiaalonderzoekers, maar ook theoretische fysici. "De belangrijkste bevinding vanuit een theoretisch oogpunt is dat bepaalde topologische isolatoren van de tweede orde wiskundig niet kunnen worden beschreven als een dipool, zoals conventionele topologische isolatoren zijn, maar als quadrupolen, die veel complexer zijn, “Dat we dit voor het eerst experimenteel in een macroscopische structuur hebben kunnen implementeren, is daarom ook een doorbraak voor theoretici”, legt Huber uit.