Topologische metamaterialen worden toegepast als een nieuw platform om buitengewone effecten te onderzoeken en te bestuderen. In plaats van natuurlijke materialen te gebruiken, onderzoekers rangschikken de bestanddelen van een topologisch metamateriaal kunstmatig in een regelmatige structuur. Een dergelijke opstelling is analoog aan een vaste toestand waarin de atomen een kristalrooster vormen. Gebruikelijk, deze platforms worden gebruikt om bepaalde eigenschappen van vaste stoffen te simuleren om ze geschikt te maken voor experimenteel onderzoek.

Natuurkundigen aan de Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg in Beieren, Duitsland, onderzoek doen naar die topologische metamaterialen, een centraal schema van de Würzburg-Dresden Cluster of Excellence, ct.qmat.

Nieuwe topologische verschijnselen

Een verwant motief van het onderzoek naar vaste stoffen in Würzburg is de ontdekking en karakterisering van nieuwe topologische fenomenen. Dit betreft de studie van topologische isolatoren, die grotendeels isolerend zijn, maar hebben geleidende oppervlaktetoestanden. Wetenschappers over de hele wereld doen intensief onderzoek naar deze materialen omdat ze fascinerende fysieke verschijnselen vertonen. Op een dag, dit onderzoek kan leiden tot vooruitgang in de halfgeleidertechnologie of op andere gebieden.

De JMU-onderzoekers rapporteren over hun nieuwste resultaten in het tijdschrift Natuurfysica . Topologische isolatoren worden meestal beschouwd als geïsoleerde (Hermitische) systemen. In tegenstelling tot, wetenschappers kunnen topologische metamaterialen aanpassen om bijvoorbeeld de implicaties van energie-uitwisseling met de omgeving te bestuderen. Deze interacties beïnvloeden het gedrag van het systeem van buitenaf, zoals het geval zou zijn bij wrijving. Op deze manier, ze hebben experimenteel het niet-Hermitiaanse huideffect (NHSE) geverifieerd dat eerder in theorie was voorspeld.

Alle staten lokaliseren aan de rand

De NHSE houdt in dat, in tegenstelling tot een gemeenschappelijke topologische isolator, niet alleen een klein deel, maar alle toestanden van het materiaal verschijnen aan de rand, d.w.z. zijn daar gelokaliseerd. Dit wordt beschreven door Tobias Helbig en Tobias Hofmann, de gezamenlijke eerste auteurs van de publicatie. Ze zijn allebei Ph.D. studenten in de onderzoeksgroep van professor Ronny Thomale, hoofd van de JMU-leerstoel Theoretical Physics I.

"Ons onderzoek toont aan, onder andere, dat de fysische principes die bekend zijn van geïsoleerde solid-state systemen fundamenteel moeten worden gewijzigd in het niet-Hermitiaanse geval, ", leggen de promovendi uit. De nieuwe bevindingen zouden nog geen directe toepassing hebben. ze hebben het potentieel om zeer gevoelige optische detectoren te verbeteren, als voorbeeld.

Elektrische circuits als innovatiecentrum in fundamenteel onderzoek

De experimenten die tot de nieuwe resultaten hebben geleid, zijn uitgevoerd met de groep van Dr. Tobias Kießling en de JMU Chair of Experimental Physics III. Aanvullende bijdragen en ideeën zijn naar voren gebracht door professor Alexander Szameit van de Universiteit van Rostock. JMU Natuurkundigen werken samen met het team van Szameit op het gebied van topologische fotonica binnen het excellentiecluster ct.qmat.

Om het niet-Hermitiaanse huideffect experimenteel aan te tonen, het JMU-team heeft elektrische circuits gebruikt met periodiek gerangschikte elementen. Vanwege hun gelijkenis met de kristalstructuur van een vaste stof, dergelijke kunstmatig gearrangeerde experimentele instellingen worden geclassificeerd als een metamateriaal.

Toepassingen van topologische materie in zicht

Prospectief, het onderzoeksteam wil het samenspel tussen topologische toestanden en niet-Hermitische fysica verder onderzoeken. Centraal staat de vraag in hoeverre de topologische bescherming van staten intact blijft bij interacties met de omgeving.

Op de lange termijn, het team is van plan om door te gaan naar kwantumhybride circuits waarin ze van plan zijn supergeleidende of andere kwantummechanische circuitelementen in te bedden. Dergelijke circuits bieden een veelzijdig platform voor de ontdekking van nieuwe fenomenen.

"We streven ernaar de inzichten van topologische circuits over te dragen naar andere metamateriaalplatforms bij het nastreven van potentiële toepassingen, " zegt professor Thomale. Dit omvat optische opstellingen zoals fotonische golfgeleiders. topologisch beschermde toestanden in niet-Hermitische systemen zouden relevant kunnen blijken bij de verbetering van signaalverwerking en detectoren, evenals bij de constructie van een fotonische kwantumcomputer. Eventueel, het ultieme schema in het onderzoek naar topologische metamaterialen is het opnieuw verbinden van nieuwe effecten met werkelijke vaste toestanden.