Forskere foreslår en ny topologisk fase af atomstoffet, der er vært for fotoniske skyrmions

Topologiområdet eller studiet af, hvordan overflader opfører sig i forskellige dimensioner, har dybt påvirket den nuværende forståelse af stof. Det bedste eksempel er den topologiske isolator, som kun leder elektricitet på overfladen, mens den er fuldstændig isolerende inde i massen. Topologiske isolatorer opfører sig som et metal, dvs. sølv på overfladen, men indeni, det ville opføre sig som glas. Disse egenskaber defineres ved hjælp af ledningsevne eller strøm af elektroner, der viser, om der er en motorvej eller en vejspærring for deres bevægelse. En vigtig drivkraft for fremtidige applikationer til topologiske isolatorer er inden for spin-elektroniske enheder, da disse elektroner spinder i fællesskab, alle på linje med hinanden, mens de flyder på overfladen.

Nu har forskere inden for elektroteknik og datateknik for første gang foreslået, at den samme elektroniske ledningsevne påvirker lysets topologiske egenskaber inde i atomarer.

"Vi viste, at der kan eksistere en ny topologisk fase af stof, hvor lys kun strømmer på kanten af ​​atommaterialet, men ikke inden i det. Der kan eksistere nogle helt specielle materialer med denne unikke fotoniske egenskab, og det er det, vi omtaler som kvantegyroelektrisk fase af stof, "sagde Zubin Jacob, en lektor i el- og computerteknik ved Purdue University.

En anden vigtig egenskab ved denne fase af stof er en topologisk excitation kendt som "fotonisk skyrmion." I konventionelle magneter, elektronspins kan betragtes som bittesmå pile, der enten flugter eller modsætter hinanden. I stærk kontrast, skyrmions er spin -excitationer, der viser unikke tumbling -opførsel af spins (se billede). De er ekstremt stabile over for stimuli og kan udnyttes til spintronic switches og minder. Den kvantegyroelektriske fase er vært for skyrmions i energimomentumrum af fotoniske bølger og kan bruges som en rygende pistolsignatur på denne fase af stof.

Et sådant materiale kan syntetiseres ved "doping, "eller ændring af atomstrukturen, af eksisterende materialer. Et godt sted at søge efter denne fase er i todimensionelle materialer, såsom grafen.

Jacob og ph.d. -studerende Todd Van Mechelen har forfattet en serie på fire artikler publiceret i forskningsblade, der fremlægger teorien om denne fase af stof.

Forskningen blev finansieret af Defense Advanced Research Projects Agency's Nascent Light-Matter Interactions Program og National Science Foundation.

Fremtidig forskning vil udforske doping 2-D materialer for at opnå den kvantegyroelektriske fase og undersøge, hvordan lysbølger bevæger sig på kanten af ​​et materiale.