Signaturer af fraktioneret elektronisk ladning observeret i topologiske isolatorer

Ladningen af ​​en enkelt elektron, e, er defineret som den grundlæggende enhed for elektrisk ladning. Fordi elektroner - de subatomare partikler, der bærer elektricitet - er elementære partikler og ikke kan opdeles, brøkdele af elektronisk ladning er normalt ikke stødt på. På trods af dette, forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign har for nylig observeret signaturen af ​​fraktioneret ladninger fra e/4 til 2e/3 i eksotiske materialer kendt som topologiske krystallinske isolatorer.

Holdet af forskere, ledet af mekanisk videnskab og ingeniørprofessor Gaurav Bahl og fysikprofessor Taylor Hughes, har brugt ultrahøjfrekvente elektriske kredsløb til at studere topologiske isolatorer siden 2017. Deres seneste måling af fraktioneret ladning, vises i det aktuelle nummer af tidsskriftet Videnskab , udspringer af teamets teoretiske arbejde med krystallinske isolatorer.

Hughes forklarer, "Det kan virke mærkeligt, at fraktionelle ladninger overhovedet kan eksistere, givet at elektroner er udelelige. Men når vi ser på den samlede ladning af et materiale, vi overvejer bidragene fra mange elektroner. Afhængigt af hvordan de elektroniske ladninger er arrangeret i rummet, de kan samarbejde om at efterlade en lokaliseret og skarpt kvantificeret brøkdel af ladningen."

Det enkleste eksempel på et materiale, der kan være vært for fraktionelle ladninger, er en endimensionel kæde af atomer med en reflektionssymmetri nede i midten. Hvis antallet af positive ioner i kæden er lig med antallet af elektroner, alt ser ladeneutralt ud. Imidlertid, hvis tallene ikke er ens, sige for eksempel hvis en elektron mangler, den manglende negative ladning tvinges til at dele sig ligeligt mellem de to symmetriske sider af kæden, efterlader en brøkdel e/2 ladning på hver side. "I de rotationssymmetriske materialer, som vi studerer, brøkladninger kan eksistere i enheder på 1/3, 1/4, eller endda 1/6, afhængig af den underliggende symmetri, " sagde Hughes.

For at søge efter signaturen af ​​disse fraktionelle ladninger eksperimentelt, holdet byggede specialdesignede kredsløb lavet af mikrobølgeresonatorer, som er enheder, der kun absorberer elektromagnetisk stråling ved en bestemt frekvens (omtrent samme frekvens som en mikrobølgeovn). Disse centimeterskala resonatorer fungerer som atomerne i et rigtigt materiale, muliggør konstruktion og afprøvning af en bred vifte af materialemuligheder.

"Desværre, det er i øjeblikket ikke muligt at bygge et materiale atom for atom, og det er ofte svært at finde naturligt forekommende materialer med de egenskaber, vi leder efter. I stedet, vi byggede kredsløbsanaloger af de krystaller, der blev forudsagt at være vært for fraktionelle ladninger. Ved at bruge denne tilgang, vi kan måle, hvordan disse kredsløb absorberer stråling og bruge det til at beregne, hvordan elektroner ville opføre sig i en analog solid-state krystal, " delte elektroingeniørstuderende og hovedforfatter Christopher Peterson.

Tidligere teoretiske undersøgelser havde antydet, at måling af fraktionelle ladninger er nøglen til at identificere en ny klasse af materialer kaldet topologiske isolatorer af højere orden, men der havde ikke været nogen måde at eksperimentelt teste dette på. Efter at have etableret en ny metode til at måle sådanne fraktionelle ladninger, forskerne var også i stand til at udvikle og demonstrere en ny metrik til at identificere topologi af høj orden.

Topologiske isolatorer har for nylig vundet berømmelse for de robuste ledende kanaler ved deres grænser, som forbliver i uberørt stand, selv når materialet har defekter. Denne robusthed er meget lokkende, da den kunne bruges til at gøre elektroniske og optiske enheder mere effektive, ved at beskytte transmissionen af ​​elektricitet eller elektromagnetiske bølger, på trods af fabrikationsfejl eller skader. De nyopdagede topologiske isolatorer af højere orden tilføjer denne historie ved at være vært for beskyttede ledende kanaler ved skæringspunkterne mellem grænser, f.eks. ved hjørner i stedet for kanter, som i høj grad kan udvide mulighederne for robuste teknologier.

"Den nye metode til identifikation, som vi har demonstreret, kunne give videnskabsmænd mulighed for utvetydigt at identificere topologiske isolatorer af enhver rækkefølge, ved hjælp af deres fraktionelle ladningssignatur. Ultimativt, dette bringer løftet om mere effektive og robuste enheder baseret på topologiske materialer stadig tættere på virkeligheden, " sagde holdlederen Gaurav Bahl.