Kvantiseret magneto-elektrisk effekt demonstreret for første gang i topologiske isolatorer

Den 'kvantiserede magneto-elektriske effekt' er blevet demonstreret for første gang i topologiske isolatorer på TU Wien, som er indstillet til at åbne for nye og meget præcise målemetoder.

En lysbølge, der sendes gennem det tomme rum, svinger altid i samme retning. Imidlertid, visse materialer kan bruges til at rotere den retning, hvor lyset svinger, når det placeres i et magnetfelt. Dette er kendt som en 'magneto-optisk' effekt.

Efter megen spekulation i en lang periode, en variant af denne type effekt er nu blevet demonstreret på TU Wien for første gang. I stedet for at skifte lysbølgens retning konstant, særlige materialer kaldet 'topologiske isolatorer' gør det i kvantetrin i klart definerede portioner. Omfanget af disse kvantetrin afhænger udelukkende af fundamentale fysiske parametre, såsom den fine struktur konstant. Det kan snart være muligt at måle denne konstant endnu mere præcist ved hjælp af optiske teknikker, end det i øjeblikket er muligt via andre metoder. De seneste fund er nu blevet afsløret i open-access journal Naturkommunikation .

Topologiske isolatorer

"Vi har arbejdet med materialer, der kan ændre retningen på lysets svingning i nogen tid nu, "forklarer prof. Andrei Pimenov fra Institute of Solid State Physics på TU Wien. Som hovedregel, effekten afhænger af, hvor tykt materialet er:jo større afstand skal lyset i materialet tilbagelægge, jo større rotationsvinkel. Imidlertid, dette er ikke tilfældet for de materialer, som Pimenovs team nu har undersøgt nærmere med bistand fra en forskergruppe fra Würzburg. Deres fokus har været på 'topologiske isolatorer', hvor den afgørende parameter er overfladen snarere end tykkelsen.

Isolatorer på indersiden, elektricitet kan normalt ledes meget effektivt langs overfladen af ​​en topologisk isolator. "Selv når man sender stråling gennem en topologisk isolator, overfladen er det, der gør hele forskellen, "siger Pimenov. Når lys formerer sig i dette materiale, strålens oscillationsretning drejes af materialets overflade to gange - en gang når den kommer ind og igen når den forlader.

Det mest bemærkelsesværdige her er, at denne rotation finder sted i bestemte dele, i kvante trin, frem for at være kontinuerlig. Intervallet mellem disse punkter er ikke bestemt af geometrien eller af materialets egenskaber og er i stedet kun defineret af fundamentale naturlige konstanter. For eksempel, de kan specificeres på grundlag af den fine strukturkonstant, som bruges til at beskrive styrken af ​​den elektromagnetiske interaktion. Dette kan åbne op for muligheden for at måle naturlige konstanter med mere præcision end tidligere har været tilfældet og kan endda føre til, at nye måleteknikker identificeres.

Øget målepræcision ved hjælp af specielle materialer

Situationen er den samme for quantum Hall -effekten, hvilket er et andet kvantefænomen observeret i visse materialer, i hvilket tilfælde en bestemt variabel (her elektrisk modstand) kun kan stige med bestemte mængder. Quantum Hall-effekten bruges i øjeblikket til højpræcisionsmålinger, med den officielle standarddefinition af elektrisk modstand baseret på den. Tilbage i 1985, blev nobelprisen i fysik tildelt for opdagelsen af ​​kvante Hall-effekten.

Topologiske materialer har også allerede været genstand for en Nobelpris-sejr – denne gang i 2016. Det forventes, at disse seneste resultater også vil gøre det muligt for materialer med særlige topologiske egenskaber (i dette tilfælde topologiske isolatorer) at blive brugt til specifikke tekniske applikationer.