Onderzoekers hebben een demonstratie op "menselijke schaal" geproduceerd van een nieuwe fase van materie, quadrupool topologische isolatoren genaamd, die onlangs werd voorspeld met behulp van theoretische fysica. Dit zijn de eerste experimentele bevindingen om deze theorie te valideren.

De onderzoekers rapporteren hun bevindingen in het tijdschrift Natuur .

Het werk van het team met QTI's is ontstaan ​​uit het tien jaar oude begrip van de eigenschappen van een klasse materialen die topologische isolatoren worden genoemd. "TI's zijn elektrische isolatoren aan de binnenkant en geleiders langs hun grenzen, en kan een groot potentieel hebben om te helpen bij het bouwen van een laag vermogen, robuuste computers en apparaten, allemaal gedefinieerd op atomaire schaal, " zei professor werktuigbouwkunde en techniek en senior onderzoeker Gaurav Bahl.

De ongebruikelijke eigenschappen van TI's maken ze tot een speciale vorm van elektronische materie. "Collecties van elektronen kunnen hun eigen fasen in materialen vormen. Deze kunnen bekende vaste, vloeibare en gasfasen zoals water, maar ze kunnen soms ook meer ongebruikelijke fasen vormen, zoals een TI, ", aldus co-auteur en natuurkundeprofessor Taylor Hughes.

TI's komen meestal voor in kristallijne materialen en andere onderzoeken bevestigen dat TI-fasen aanwezig zijn in natuurlijk voorkomende kristallen, maar er zijn nog veel theoretische voorspellingen die moeten worden bevestigd, zei Hughes.

Een van die voorspellingen was het bestaan ​​van een nieuw type TI met een elektrische eigenschap die bekend staat als een quadrupoolmoment. "Elektronen zijn afzonderlijke deeltjes die lading dragen in een materiaal, "Zei afgestudeerde natuurkundestudent Wladimir Benalcazar. "We ontdekten dat elektronen in kristallen samen kunnen zorgen dat ze niet alleen aanleiding geven tot het opladen van dipooleenheden - dat wil zeggen, paren van positieve en negatieve ladingen - maar ook multipolen van hoge orde waarin vier of acht ladingen zijn samengebracht in een eenheid. Het eenvoudigste lid van deze klassen van hogere orde zijn quadrupolen waarin twee positieve en twee negatieve ladingen zijn gekoppeld."

Het is momenteel niet haalbaar om een ​​stoffelijk atoom voor atoom te construeren, laat staan ​​het quadrupolaire gedrag van elektronen regelen. In plaats daarvan, het team bouwde een analoog van een QTI op werkbare schaal met behulp van een materiaal gemaakt van printplaten. Elke printplaat bevat een vierkant van vier identieke resonatoren - apparaten die elektromagnetische straling op een specifieke frequentie absorberen. De planken zijn gerangschikt in een rasterpatroon om de volledige kristalanaloog te creëren.

"Elke resonator gedraagt ​​zich als een atoom, en de verbindingen daartussen gedragen zich als bindingen tussen atomen, " zei Kitt Peterson, de hoofdauteur en een afgestudeerde elektrotechniekstudent. "We passen microgolfstraling toe op het systeem en meten hoeveel wordt geabsorbeerd door elke resonator, die ons vertelt hoe elektronen zich zouden gedragen in een analoog kristal. Hoe meer microgolfstraling wordt geabsorbeerd door een resonator, hoe waarschijnlijker het is om een ​​elektron op het overeenkomstige atoom te vinden."

Het detail dat dit een QTI en geen TI maakt, is het resultaat van de bijzonderheden van de verbindingen tussen resonatoren, aldus de onderzoekers.

"De randen van een QTI zijn niet geleidend zoals je zou zien in een typische TI, "Bal zei, "In plaats daarvan zijn alleen de hoeken actief, dat is, de randen van de randen, en zijn analoog aan de vier gelokaliseerde puntladingen die een zogenaamd quadrupoolmoment zouden vormen. Precies zoals Taylor en Wladimir hadden voorspeld."

"We hebben gemeten hoeveel microgolfstraling elke resonator in onze QTI absorbeerde, bevestiging van de resonantietoestanden in een nauwkeurig frequentiebereik en precies in de hoeken, "Zei Peterson. "Dit wees op het bestaan ​​van voorspelde beschermde toestanden die zouden worden gevuld door elektronen om vier hoekladingen te vormen."

Die hoekladingen van deze nieuwe fase van elektronische materie kunnen mogelijk gegevens opslaan voor communicatie en computergebruik. "Dat lijkt misschien niet realistisch met ons 'menselijke schaal'-model, "Zei Hughes. "Echter, als we denken aan QTI's op atomaire schaal, enorme mogelijkheden worden duidelijk voor apparaten die berekeningen en informatieverwerking uitvoeren, mogelijk zelfs op een schaal lager dan dat we vandaag kunnen bereiken."

De onderzoekers zeiden dat de overeenkomst tussen experiment en voorspelling veelbelovend was dat wetenschappers de fysica van QTI's goed genoeg beginnen te begrijpen voor praktisch gebruik.

"Als theoretische fysici, Wladimir en ik konden het bestaan ​​van deze nieuwe vorm van materie voorspellen, maar tot nu toe is er geen materiaal gevonden dat deze eigenschappen heeft, "Zei Hughes. "Samenwerken met ingenieurs hielp onze voorspelling om te zetten in realiteit."