Een nieuwe studie levert het eerste bewijs van exotische deeltjes, bekend als viervoudige topologische quasideeltjes, in de metaallegering kobaltmonosilicide. Gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , deze uitgebreide analyse, een die experimentele gegevens combineert met theoretische modellen, geeft een gedetailleerd inzicht in dit materiaal. Deze inzichten kunnen worden gebruikt om deze en andere soortgelijke materialen met unieke en beheersbare eigenschappen te engineeren. De ontdekking was het resultaat van een samenwerking tussen onderzoekers van Penn, Universiteit van Fribourg, Frans Nationaal Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS), Max Planck Instituut voor Chemische Fysica van vaste stoffen, en Universiteit van Maryland.

De theorieën die ten grondslag liggen aan topologische isolatoren, materialen met een geleidend oppervlak en een isolerende kern, werden ontwikkeld door Penn's Charlie Kane en Eugene Mele, winnaars van de Breakthrough Prize in Fundamental Physics 2019. Door hun theoretische bijdragen over topologie en symmetrie, Kane en Mele postuleerden het bestaan ​​van deze nieuwe klasse van materialen, die kunnen worden gebruikt om zeer efficiënte elektronica of kwantumcomputerplatforms te creëren.

"Maar de wens van alle theoretici is dat hun werk zich vertaalt naar de echte wereld, " zegt chemicus Andrew M. Rappe, die met Kane en Mele samenwerkt aan manieren om materialen uit de echte wereld te ontdekken die deze exotische eigenschappen hebben. "De recente aanwerving van professor Liang Wu brengt onze topologische fysica-groep naar een nieuw niveau, een waar we de materialen kunnen begrijpen en hun eigenschappen kunnen observeren, alles tot in de puntjes, gezamenlijke lus."

Sinds zijn komst naar Penn in 2018, Wu en zijn lab hebben optische experimenten gebruikt om te bestuderen hoe licht interageert met topologische materialen en zijn geïnteresseerd in het valideren van enkele van de bestaande theorieën over deze klasse materialen. Vorig jaar, afgestudeerde student Zhuoliang Ni voerde lichtpulslaserexperimenten uit met kobaltmonosilicide (CoSi) om de relatie tussen topologie en niet-lineaire optica beter te begrijpen en om te zien of ze dit materiaal konden gebruiken om licht om te zetten in elektrische stroom. De gegevens die ze verzamelden, leken te suggereren dat er enkele unieke topologische kenmerken van CoSi zouden kunnen zijn. "Ik realiseerde me dat er iets interessants is in de optische geleidbaarheid op zich, " zegt Wu, die vervolgens contact zochten met Mele en Rappe over het ontwikkelen van een theorie om de resultaten van hun experiment te helpen verklaren.

Terwijl CoSi eerder was onderzocht, de nieuwe gegevens verzameld door Wu's lab waren van een hogere kwaliteit dan eerder werk, waardoor de onderzoekers een model konden ontwikkelen dat een meer robuuste verklaring voor hun bevindingen bood.

"De voorspellingen van de topologische fysica suggereerden dat dit materiaal enkele opwindende eigenschappen zou moeten hebben, zoals lineaire optische geleidbaarheid met toenemende fotonenergie, maar een echt materiaal heeft veel verschijnselen tegelijkertijd, " zegt Rappe. "Theoretici maken hun model geleidelijk ingewikkelder en realistischer, en de experimentatoren houden rekening met andere kenmerken om de experimentele presentatie te vereenvoudigen. Zo komen we overeen welke kenmerken aan de topologische eigenschappen kunnen worden toegeschreven."

Na bijna een jaar van het analyseren van gegevens en het herhalen van verschillende theorieën, een van de dingen die opviel was hoe goed deze modellen, variërend van eenvoudig tot complex, met elkaar eens. "Het is verrassend om deze mate van overeenstemming voor onszelf te zien, " zegt afgestudeerde student Zhenyao Fang, die het theoretische gedeelte van dit onderzoek leidde. "Sommige modellen zijn puur afgeleid van natuurkundige theorieën, en sommige zijn numerieke modellen die zijn afgeleid van methoden van de eerste beginselen, dus het is verrassend om dit soort overeenkomst tussen hen te observeren."

Nutsvoorzieningen, dankzij een combinatie van schonere gegevens en robuuste theoretische modellen, deze samenhang tussen de theorie en de experimenten die in dit artikel worden gedemonstreerd, betekent een enorme stap voorwaarts, zegt Wu. "De overeenkomst tussen experiment en theorie is buitengewoon goed, " voegt hij eraan toe. "Hier geven we een voorbeeld van een uitgebreide combinatie van experiment en theoretisch begrip, en dit kan worden toegepast op veel andere nieuwe materialen of systemen die in de toekomst zullen worden ontdekt."

Omdat CoSi deel uitmaakt van een familie van materialen met een veel voorkomende kristalstructuur, het materiaal zou kunnen worden gebruikt in legeringen met magnetisme die zijn ontworpen om complexere topologische magnetische eigenschappen te hebben vanwege het vermogen om hun ontwerp atoom voor atoom te regelen.

Dit werk is ook een showcase van Penn's expertise in topologische fysica en maakt de weg vrij voor toekomstige experimentele en theoretische vooruitgang op dit gebied aan de universiteit, zegt Rappe. "We hebben nu een levendige groep die inspanningen op het gebied van topologische elektronica en fotonica combineert, "zegt hij. "De topologische fysica groeit, en we hebben een pad gebaand dat andere mensen kunnen volgen met andere materialen voor het ontwerpen van gewenste opto-elektronische eigenschappen."