Forskere påviser eksistensen af ​​en ny form for elektronisk stof

Forskere har produceret en demonstration på "menneskelig skala" af en ny fase af stof kaldet quadrupol topologiske isolatorer, der for nylig blev forudsagt ved hjælp af teoretisk fysik. Dette er de første eksperimentelle resultater til at validere denne teori.

Forskerne rapporterer deres resultater i tidsskriftet Natur .

Holdets arbejde med QTI'er blev født ud af den årti gamle forståelse af egenskaberne af en klasse af materialer kaldet topologiske isolatorer. "TI'er er elektriske isolatorer på indersiden og ledere langs deres grænser, og kan rumme et stort potentiale for at hjælpe med at bygge lavenergi, robuste computere og enheder, alt defineret på atomær skala, " sagde professor i mekanisk videnskab og ingeniørvidenskab og seniorforsker Gaurav Bahl.

De ualmindelige egenskaber ved TI'er gør dem til en særlig form for elektronisk materiale. "Samlinger af elektroner kan danne deres egne faser i materialer. Disse kan være velkendte faste, væske- og gasfaser som vand, men de kan også nogle gange danne mere usædvanlige faser som en TI, " sagde medforfatter og fysikprofessor Taylor Hughes.

TI'er findes typisk i krystallinske materialer, og andre undersøgelser bekræfter TI-faser, der er til stede i naturligt forekommende krystaller, men der er stadig mange teoretiske forudsigelser, der skal bekræftes, sagde Hughes.

En sådan forudsigelse var eksistensen af ​​en ny type TI med en elektrisk egenskab kendt som et quadrupol-moment. "Elektroner er enkelte partikler, der bærer ladning i et materiale, " sagde fysikstuderende Wladimir Benalcazar. "Vi fandt ud af, at elektroner i krystaller kollektivt kan arrangere, at de ikke kun giver anledning til opladning af dipolenheder - dvs. parringer af positive og negative ladninger - men også højordens multipoler, hvor fire eller otte ladninger samles til en enhed. Det enkleste medlem af disse højere-ordens klasser er kvadrupoler, hvori to positive og to negative ladninger er koblet."

Det er i øjeblikket ikke muligt at konstruere et materiale atom for atom, endsige kontrollere elektronernes quadrupolære opførsel. I stedet, holdet byggede en analog af en QTI i brugbar skala ved hjælp af et materiale skabt af printplader. Hvert printkort rummer et kvadrat med fire identiske resonatorer - enheder, der absorberer elektromagnetisk stråling ved en bestemt frekvens. Brædderne er arrangeret i et gittermønster for at skabe den fulde krystalanalog.

"Hver resonator opfører sig som et atom, og forbindelserne mellem dem opfører sig som bindinger mellem atomer, " sagde Kitt Peterson, hovedforfatteren og en elektroingeniørstuderende. "Vi anvender mikrobølgestråling på systemet og måler, hvor meget der absorberes af hver resonator, som fortæller os om, hvordan elektroner ville opføre sig i en analog krystal. Jo mere mikrobølgestråling absorberes af en resonator, jo mere sandsynligt er det at finde en elektron på det tilsvarende atom."

Den detalje, der gør dette til en QTI og ikke en TI, er et resultat af detaljerne i forbindelserne mellem resonatorer, sagde forskerne.

"Kanterne på en QTI er ikke ledende, som du ville se i en typisk TI, " sagde Bahl, "I stedet er kun hjørnerne aktive, det er, kanterne af kanterne, og er analoge med de fire lokaliserede punktladninger, der ville danne det, der er kendt som et kvadrupolmoment. Præcis som Taylor og Wladimir forudsagde."

"Vi målte, hvor meget mikrobølgestråling hver resonator i vores QTI absorberede, bekræftelse af resonanstilstande i et præcist frekvensområde og placeret præcist i hjørnerne, " sagde Peterson. "Dette pegede på eksistensen af ​​forudsagte beskyttede tilstande, der ville blive fyldt med elektroner for at danne fire hjørneladninger."

Disse hjørneafgifter i denne nye fase af elektronisk sag kan være i stand til at lagre data til kommunikation og computere. "Det virker måske ikke realistisk ved at bruge vores 'menneskelige skala'-model, " sagde Hughes. "Men, når vi tænker på QTI'er på atomskalaen, enorme muligheder bliver tydelige for enheder, der udfører beregning og informationsbehandling, muligvis endda på skalaer under, hvad vi kan opnå i dag."

Forskerne sagde, at overensstemmelsen mellem eksperiment og forudsigelse gav et løfte om, at forskerne begynder at forstå fysikken i QTI'er godt nok til praktisk brug.

"Som teoretiske fysikere, Wladimir og jeg kunne forudsige eksistensen af ​​denne nye form for stof, men der er ikke fundet noget materiale, der har disse egenskaber indtil videre, " sagde Hughes. "Samarbejde med ingeniører hjalp med at gøre vores forudsigelse til virkelighed."