Første bekræftelse af ny teori med metamateriale

Topologiske metamaterialer anvendes som en ny platform til at udforske og studere ekstraordinære effekter. I stedet for at bruge naturlige materialer, forskere organiserer kunstigt bestanddelene i et topologisk metamateriale i en regelmæssig struktur. Et sådant arrangement er analogt med en fast tilstand, hvor atomerne danner et krystalgitter. Som regel, disse platforme bruges til at simulere bestemte egenskaber ved faste stoffer for at gøre dem modtagelige for eksperimentel undersøgelse.

Fysikere ved Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg i Bayern, Tyskland, udføre forskning på disse topologiske metamaterialer, en central ordning for Würzburg-Dresden Cluster of Excellence, ct.qmat.

Nye topologiske fænomener

Et relateret motiv for solid state -forskning i Würzburg er opdagelsen og karakteriseringen af ​​nye topologiske fænomener. Dette vedrører undersøgelsen af ​​topologiske isolatorer, som er isolerende i hovedparten, men har ledende overfladetilstande. Forskere verden over foretager intensiv forskning i disse materialer, da de udviser overbevisende fysiske fænomener. En dag, denne forskning kan føre til fremskridt inden for halvlederteknologi eller på andre områder.

JMU -forskerne rapporterer om deres nyeste resultater i tidsskriftet Naturfysik . Topologiske isolatorer betragtes normalt som isolerede (hermitiske) systemer. I modsætning, forskere kan finjustere topologiske metamaterialer som for eksempel at studere konsekvenserne af energiudveksling med miljøet. Disse interaktioner påvirker systemets adfærd udefra, som det ville være tilfældet for friktion. Denne måde, de verificerede eksperimentelt den ikke-hermitiske hudeffekt (NHSE), der tidligere var forudsagt i teorien.

Alle stater lokaliserer ved kanten

NHSE indebærer, at i modsætning til en almindelig topologisk isolator, ikke kun en lille brøkdel, men alle tilstandene af materialet vises ved kanten, dvs. er lokaliseret der. Dette er beskrevet af Tobias Helbig og Tobias Hofmann, publikationens fælles første forfattere. De er begge ph.d. studerende i forskergruppen til professor Ronny Thomale, leder af JMU -formanden for teoretisk fysik I.

"Vores forskning viser, blandt andet, at de fysiske principper, der kendes fra isolerede solid state-systemer, skal ændres grundlæggende i ikke-hermitisk tilfælde, "forklarer ph.d. -studerende. De nye fund ville endnu ikke have en direkte anvendelse. Men de har potentiale til at forbedre meget følsomme optiske detektorer, som et eksempel.

Elektriske kredsløb som et center for innovation inden for grundforskning

Eksperimenterne, der førte til de nye resultater, blev udført med gruppen af ​​Dr. Tobias Kießling og JMU -formanden for eksperimentel fysik III. Yderligere bidrag og ideer er blevet fremsat af professor Alexander Szameit fra University of Rostock. JMU Fysikere samarbejder med Szameits team om emnet topologisk fotonik inden for klynge af ekspertise ct.qmat.

For at demonstrere den ikke-hermitiske hudeffekt eksperimentelt, JMU -teamet har brugt elektriske kredsløb med periodisk arrangerede elementer. På grund af deres lighed med krystalstrukturen af ​​et fast stof, sådanne kunstigt arrangerede eksperimentelle indstillinger er klassificeret som et metamateriale.

Anvendelser af topologisk stof i sigte

Fremadrettet, forskergruppen ønsker at undersøge samspillet mellem topologiske tilstande og ikke-hermitisk fysik yderligere. Et centralt spørgsmål vil være, i hvilken udstrækning den topologiske beskyttelse af stater forbliver intakt, når interaktioner med miljøet er til stede.

På lang sigt, teamet agter at gå videre mod kvantehybridkredsløb, hvor de planlægger at integrere superledende eller andre kvantemekaniske kredsløbselementer. Sådanne kredsløb tilbyder en alsidig platform til opdagelse af nye fænomener.

"Vi sigter mod at overføre indsigten fra topologiske kredsløb til andre metamaterialeplatforme i jagten på potentielle applikationer, "Siger professor Thomale. Dette inkluderer optiske opsætninger såsom fotoniske bølgeledere. Der, topologisk beskyttede tilstande i ikke-hermitiske systemer kunne vise sig relevante i forbedringen af ​​signalbehandling og detektorer samt i konstruktionen af ​​en fotonisk kvantecomputer. Til sidst, den ultimative ordning i forskningen om topologiske metamaterialer er genforbindelse af nye effekter til egentlige faste tilstande.