De lading van een enkel elektron, e, wordt gedefinieerd als de basiseenheid van elektrische lading. Omdat elektronen - de subatomaire deeltjes die elektriciteit vervoeren - elementaire deeltjes zijn en niet kunnen worden gesplitst, fracties van elektronische lading komen normaal gesproken niet voor. Ondanks dit, Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben onlangs de signatuur waargenomen van fractionele ladingen variërend van e/4 tot 2e/3 in exotische materialen die bekend staan ​​als topologische kristallijne isolatoren.

Het team van onderzoekers, onder leiding van professor werktuigbouwkunde en techniek Gaurav Bahl en professor natuurkunde Taylor Hughes, gebruikt sinds 2017 elektrische circuits met ultrahoge frequentie om topologische isolatoren te bestuderen. Hun recente meting van fractionele lading, verschijnen in het huidige nummer van het tijdschrift Wetenschap , komt voort uit het theoretische werk van het team over kristallijne isolatoren.

Hughes legt uit, "Het lijkt misschien vreemd dat fractionele ladingen zelfs kunnen bestaan, gegeven dat elektronen ondeelbaar zijn. Maar als we kijken naar de totale lading van een materiaal, we beschouwen de bijdragen van veel elektronen. Afhankelijk van hoe de elektronische ladingen in de ruimte zijn gerangschikt, ze kunnen samenwerken om een ​​gelokaliseerde en scherp gekwantiseerde ladingsfractie achter te laten."

Het eenvoudigste voorbeeld van een materiaal dat fractionele ladingen kan bevatten, is een eendimensionale keten van atomen met een reflectiesymmetrie in het midden. Als het aantal positieve ionen in de keten gelijk is aan het aantal elektronen, alles ziet er ladingneutraal uit. Echter, als de getallen niet gelijk zijn, zeg bijvoorbeeld als één elektron ontbreekt, de ontbrekende negatieve lading wordt gedwongen gelijkelijk te verdelen tussen de twee symmetrische zijden van de keten, een fractionele e/2 lading achterlatend aan elke kant. "In de rotatiesymmetrische materialen die we bestuderen, fractionele ladingen kunnen bestaan ​​in eenheden van 1/3, 1/4, of zelfs 1/6, afhankelijk van de onderliggende symmetrie, ' zei Hughes.

Om experimenteel naar de signatuur van deze fractionele ladingen te zoeken, het team bouwde speciaal ontworpen circuits gemaakt van microgolfresonatoren, dat zijn apparaten die elektromagnetische straling alleen op een bepaalde frequentie absorberen (ongeveer dezelfde frequentie als een magnetron). Deze resonatoren op centimeterschaal werken als de atomen in een echt materiaal, waardoor de constructie en het testen van een breed scala aan materiaalmogelijkheden mogelijk is.

"Helaas, het is momenteel niet mogelijk om een ​​stoffelijk atoom voor atoom te bouwen, en het is vaak moeilijk om natuurlijk voorkomende materialen te vinden met de eigenschappen die we zoeken. In plaats daarvan, we hebben circuitanalogen gebouwd van de kristallen waarvan werd voorspeld dat ze fractionele ladingen zouden bevatten. Met behulp van deze aanpak, we kunnen meten hoe deze circuits straling absorberen en dat gebruiken om te berekenen hoe elektronen zich zouden gedragen in een analoog kristal in vaste toestand, "Deelde student elektrotechniek en hoofdauteur Christopher Peterson.

Eerdere theoretische studies hadden gesuggereerd dat het meten van fractionele ladingen de sleutel is tot het identificeren van een nieuwe klasse materialen die topologische isolatoren van hogere orde worden genoemd, maar er was geen manier geweest om dit experimenteel te testen. Na het vaststellen van een nieuwe methode om dergelijke fractionele ladingen te meten, de onderzoekers waren ook in staat om een ​​nieuwe metriek te ontwikkelen en te demonstreren om topologie van hoge orde te identificeren.

Topologische isolatoren hebben onlangs bekendheid gekregen vanwege de robuuste geleidende kanalen aan hun grenzen, die in onberispelijke staat blijven, zelfs als het materiaal defecten vertoont. Deze robuustheid is zeer aanlokkelijk omdat het kan worden gebruikt om elektronische en optische apparaten efficiënter te maken, door de transmissie van elektriciteit of elektromagnetische golven te beschermen, ondanks fabricagefouten of beschadigingen. De nieuw ontdekte topologische isolatoren van hogere orde dragen bij aan dit verhaal door beschermde geleidende kanalen te hosten op de kruispunten van grenzen, bijv. op hoeken in plaats van randen, wat de mogelijkheden voor robuuste technologieën sterk kan vergroten.

"De nieuwe identificatiemethode die we hebben aangetoond, zou wetenschappers in staat kunnen stellen om topologische isolatoren van elke orde ondubbelzinnig te identificeren, met behulp van hun fractionele lading handtekening. uiteindelijk, dit brengt de belofte van efficiëntere en robuustere apparaten op basis van topologische materialen steeds dichter bij de realiteit, ", zei teamleider Gaurav Bahl.