Het gebied van topologie of de studie van hoe oppervlakken zich in verschillende dimensies gedragen, heeft het huidige begrip van materie diepgaand beïnvloed. Het beste voorbeeld is de topologische isolator, die elektriciteit alleen aan het oppervlak geleidt, terwijl het in de bulk volledig isoleert. Topologische isolatoren gedragen zich als een metaal, d.w.z., zilver aan de oppervlakte, maar binnen, het zou zich gedragen als glas. Deze eigenschappen worden gedefinieerd met behulp van de geleidbaarheid of stroom van elektronen die aangeven of er een snelweg of een wegversperring is voor hun beweging. Een belangrijke drijfveer voor toekomstige toepassingen voor topologische isolatoren ligt op het gebied van spin-elektronische apparaten, aangezien deze elektronen tegelijk ronddraaien, allemaal uitgelijnd met elkaar terwijl ze over het oppervlak stromen.

Nu hebben onderzoekers op het gebied van elektrotechniek en computertechnologie voor het eerst voorgesteld dat dezelfde elektronische geleidbaarheid de topologische eigenschappen van licht in atomaire materie beïnvloedt.

"We hebben laten zien dat er een nieuwe topologische fase van materie kan bestaan ​​waar licht alleen langs de rand van het atomaire materiaal stroomt, maar niet erin. Er kunnen enkele zeer speciale materialen bestaan ​​met deze unieke fotonische eigenschap, en dat noemen we de kwantum gyro-elektrische fase van materie, " zei Zubin Jacob, een universitair hoofddocent elektrische en computertechniek aan de Purdue University.

Een andere belangrijke bepalende eigenschap van deze fase van materie is een topologische excitatie die bekend staat als het 'fotonische skyrmion'. Bij conventionele magneten, elektronenspins kunnen worden gezien als kleine pijlen die op één lijn of anti-uitlijning met elkaar zijn. In sterk contrast, skyrmionen zijn spin-excitaties die een uniek tuimelgedrag van de spins laten zien (zie afbeelding). Ze zijn extreem stabiel voor prikkels en kunnen worden gebruikt voor spintronische schakelaars en herinneringen. De kwantumgyro-elektrische fase herbergt skyrmionen in de energie-impulsruimte van fotonische golven en kan worden gebruikt als een rokend pistoolsignatuur van deze fase van materie.

Een dergelijk materiaal kan worden gesynthetiseerd door "doping, " of het veranderen van de atomaire structuur, van bestaande materialen. Een goede plek om naar deze fase te zoeken is in tweedimensionale materialen zoals grafeen.

Jacob en doctoraatsstudent Todd Van Mechelen hebben een reeks van vier artikelen geschreven die in onderzoekstijdschriften zijn gepubliceerd en die de theorie van deze fase van de materie naar voren brengen.

Het onderzoek werd gefinancierd door het Nascent Light-Matter Interactions Program van het Defense Advanced Research Projects Agency en de National Science Foundation.

Toekomstig onderzoek zal doping 2-D materialen onderzoeken om de kwantum gyro-elektrische fase te bereiken en onderzoeken hoe lichtgolven zich voortplanten langs de rand van een materiaal.