Kvantfysik blev til en håndgribelig virkelighed

ETH -fysikere har udviklet en siliciumskive, der opfører sig som en topologisk isolator, når den stimuleres ved hjælp af ultralyd. Det er derved lykkedes dem at vende et abstrakt teoretisk begreb til et makroskopisk produkt.

Den sædvanlige procedure går således:Du har et komplekst fysisk system og forsøger at forklare dets adfærd gennem en så enkel model som muligt. Sebastian Huber, Adjunkt ved Institut for Teoretisk Fysik, har vist, at denne procedure også virker omvendt:han udvikler makroskopiske systemer, der udviser nøjagtig de samme egenskaber, som teorien forudsiger, men som endnu ikke er blevet observeret på dette niveau.

Det lykkedes ham at skabe et illustrerende eksempel for to et halvt år siden. Sammen med sit team, han byggede en mekanisk anordning lavet af 270 pendler forbundet med fjedre på en sådan måde, at installationen opfører sig som en topologisk isolator. Det betyder, at pendulet og fjedrene er placeret således, at en vibrationscitation udefra kun bevæger pendulerne ved installationens kanter, men ikke dem i midten (som ETH News rapporterede).

Vibrationer kun i hjørnerne

Det nye projekt, som vil blive offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Natur , er også fokuseret på et makroskopisk system. Denne gang, imidlertid, han skabte ingen stor mekanisk enhed, men et meget mere håndterbart objekt. Med sit hold, Huber skabte en 10 x 10 centimeter siliciumskive, der består af 100 små plader forbundet til hinanden via tynde bjælker. Det centrale aspekt er, at når waferen stimuleres ved hjælp af ultralyd, kun pladerne i hjørnerne vibrerer; de andre plader forbliver stille, trods deres forbindelser.

Huber hentede sin inspiration til det nye materiale fra et værk, der blev udgivet for omkring et år siden af ​​grupper fra Urbana-Champaign og Princeton; forskerne præsenterede en ny teoretisk tilgang til en andenordens topologisk isolator. "I en konventionel topologisk isolator, vibrationerne spreder sig kun over overfladen, men ikke indeni, "forklarer Huber." Fænomenet reduceres med en dimension. "I tilfælde af pendulinstallationen det betyder, at det todimensionale arrangement førte til et endimensionelt vibrationsmønster langs kanterne.

I en andenordens topologisk isolator, imidlertid, fænomenet reduceres med to dimensioner. Derfor, med en todimensionel siliciumskive, vibrationen forekommer ikke længere langs kanterne, men kun i hjørnerne, på et nul-dimensionelt punkt. "Vi er de første til at lykkes med eksperimentelt at skabe den forudsagte topologiske isolator af højere orden, "siger Huber.

Et nyt teoretisk begreb

Huber har igen skabt noget, der opfører sig på præcis den måde, teorien forudsiger. For at løse dette "omvendte problem", han brugte en systematisk proces, som han udviklede sammen med gruppen ledet af Chiara Daraio, nu professor ved Caltech, og som han har offentliggjort i denne uge i tidsskriftet Naturmaterialer . Stort set Huber viser, hvordan en teoretisk forudsagt funktionalitet kan omdannes til betongeometri. "I vores eksempel, vi testede det ved hjælp af mekaniske vibrationer, ved at koble elementer med klart definerede vibrationsmåder ved hjælp af svage led, "siger Huber." Men processen kan også overføres til andre applikationer, f.eks. til optiske eller elektriske systemer. "

Udvidelse til den tredje dimension

Huber har allerede klare planer for, hvordan han skal gå frem:han ønsker at opnå en tredimensionel andenordens topologisk isolator, hvor vibrationerne kan overføres endimensionelt. Han modtog for nylig en Consolidator Grant fra European Research Council (ERC) til dette projekt. Huber forklarer den grundlæggende idé:"Vi stabler et antal af disse todimensionelle strukturer oven på hinanden, så der opstår en tredimensionel form. I denne form, information eller energi kan ledes fra punkt A til punkt B gennem en endimensionel kanal. "

Huber kan tænke på et par mulige applikationer. For eksempel, sådanne nye topologiske isolatorer kunne bruges til at bygge robuste og præcise bølgeledere til kommunikationsnetværk. De kan også være nyttige i energisektoren, for eksempel til energiindsamling, hvor energi fra en diffus omgivende kilde er fokuseret til teknologisk brug.

Også af interesse for teoretikere

Hubers resultater vil ikke kun være af interesse for ingeniører og materialeforskere, men også teoretiske fysikere. "Det centrale fund fra et teoretisk synspunkt er, at visse topordensisolatorer af anden orden ikke matematisk kan beskrives som en dipol, som konventionelle topologiske isolatorer er, men som firpoler, som er langt mere komplekse, "forklarer Huber." Det faktum, at vi har kunnet implementere dette eksperimentelt i en makroskopisk struktur for første gang, er derfor også et gennembrud for teoretikere. "