Octupole hjørnetilstand i et tredimensionelt topologisk kredsløb

Topologiske isolatorer af højere orden med kvantiserede bulkpolarisationer og nul-dimensionelle hjørnetilstande tiltrækker stigende interesse på grund af deres stærke indeslutning. For nylig, forskere fra Kina og Storbritannien demonstrerede i et 3D-topologisk kredsløb eksistensen af ​​en octupole hjørnetilstand, som er induceret af oktopolmomentet i bulk -kredsløbet og topologisk beskyttet af tre antikommuterende refleksionssymmetrier. Dette arbejde er ikke kun af grundlæggende betydning, men åbner også døren mod realisering af nye elektroniske topologiske anordninger.

Topologiske faser af stof har været en af ​​forskningsinteresserne inden for kondenseret fysik på grund af dets unikke egenskaber ved design af fascinerende materialer, der besidder kvantiserede invarianter i både elektronik- og fotoniksystemer. Disse faser har vist et stort potentiale i lasning, quantum computing platform, og robust signaloverførsel i optik, akustisk, og mekaniske systemer. Mens de fleste af topologiske isolatorers forskningsinteresser har fokuseret på observation af beskyttet ikke -privat tilstand lokaliseret på overfladen af ​​et massemateriale, den seneste fremkomst af topologiske isolatorer af højere orden (HOTI'er) har ført til opdagelser af topologiske grænsetilstande med dimensioner, der er lavere end massens med mere end 1. Disse kvantiserede flerpolede hjørnestater i højere orden er lokaliseret i skæringspunktet mellem kanterne på en firkant ( 2-D, firepolsmoment) eller kubisk (3-D, octupole moment) gitter, og er beskyttet af specialdesignede rumlige symmetrier. Indtil nu, undersøgelsen af ​​HOTI'er er for det meste begrænset til 2-D tilfælde, og deres hjørnetilstande induceres enten af ​​firpolsmomentet eller 2-D Zak-fasen af ​​bulkgitteret.

I et nyt papir udgivet i Letvidenskab og applikationer , et hold forskere, ledet af professor Shuang Zhang fra School of Physics and Astronomy, University of Birmingham, Det Forenede Kongerige, Prof Tiejun Cui fra State Key Laboratory of Millimeter Waves, Sydøst Universitet, Nanjing, Kina, Prof. Yuanjiang Xiang fra School of Physics and Electronics, Hunan Universitet, Changsha, Kina og kolleger har rapporteret den eksperimentelle observation af en 0-D hjørnetilstand i et tredimensionelt (3-D) topologisk kredsløb, som er bygget fra et 3-D kubisk netværk af induktorer og kondensatorer med bevidst designede værdier. De verificerer, at en sådan hjørnetilstand er forårsaget af det tredrevne octupol-moment i 3-D-kredsløbet, og er topologisk beskyttet af tre antikommuterende refleksionssymmetrier af bulkgitteret. Dette opnås ved at konstruere den dimeriserede kobling i hver mindste sløjfe (plaquette) i kredsløbet til at have et modsat tegn til de tre andre, hvilket gør dette kredsløb til en kubisk gitterversion af den berømte Hofstadter-model med π-flux pr. plaquette. "Dette er afgørende for at generere en syntetisk magnetisk π-flux, der træder plaquetten, der endelig giver den ottende hjørnetilstand i det endelige størrelse system, "understregede de.

De topologiske træk ved kredsløbet blev analyseret ud fra kredsløbets båndstrukturer med både uendelige og begrænsede randbetingelser. Dette blev opnået ved at konstruere kredsløbet Laplacian og circuit Hamiltonian af kredsløbet baseret på Kirchhoff -loven. De fandt en isoleret midgap -tilstand i båndgabet i den endelige båndstruktur, som er den octupole hjørnetilstand, der er lokaliseret på hjørnet af det kubiske kredsløb. For at verificere deres teoretiske forudsigelse, de fremstillede en prøve, der består af 2,5 × 2,5 × 2,5 enhedsceller (5 × 5 × 5 noder) ved hjælp af fem lag af printkort, og målte impedansspektre mellem hver tilstødende kredsløbsknude under anvendelse af et vektornetværksanalysator (VNA). En tydelig top blev klart identificeret fra impedansspektret ved et af kredsløbshjørnerne ved præcis hjørnetilstandsfrekvensen (2,77MHz), som blev bekræftet at være den octupole hjørnetilstand, de forventede. De eksperimentelle resultater var i god overensstemmelse med de teoretiske beregninger for impedansspektrene ved alle kredsløbsknuderne. For teoretisk at bekræfte topologien for hjørnetilstanden observeret i simuleringen og eksperimentet, de beregnede kredsløbets topologiske invariant gennem en række procedurer kaldet de indlejrede Wilson loops, og opnåede en kvantiseret værdi på 1/2 og 0, der svarer til de ikke -trivielle og trivielle stater, henholdsvis.

"Ligesom 1D-kanttilstanden (2-D overfladetilstand) i konventionelle 2-D (3-D) topologiske materialer, som udviser fremragende immunitet mod defekter og lidelser, 0D -hjørnetilstanden i vores HOTI -kredsløb er også yderst robust over for visse former for lidelse. "For at evaluere robustheden af ​​octupole -hjørnetilstanden, de gav den statistiske fordeling af frekvensen af ​​hjørnetilstanden og båndgabet af massen fra en række uordnede systemer med forskellige niveauer af variationer i kredsløbskomponenterne. Det blev observeret, at niveauet for frekvensforskydning af hjørnetilstanden er proportional med tilfældigheden af ​​komponentvariationen, men dens højde vedvarer selv ved 20% variation i kredsløbskomponenter. Yderligere analyser blev også udført for at afsløre forholdet mellem båndgabet og robustheden af ​​hjørnetilstanden under forskellige niveauer af komponentforstyrrelser.

"Den vellykkede realisering af octupole topologiske isolatorer baner vejen for fremtidige undersøgelser af topimensionelle topologiske isolatorer, der besidder multipolmomenter uden at indføre syntetiske dimensioner, drage fordel af de bekvemme elektriske forbindelser mellem noder på vilkårlige afstande. "Forfatterne nævnte også, at dette arbejde kan udgøre en eksperimentel platform for yderligere undersøgelse af 3D-topordens topologiske kredsløb kombineret med ikke-hermitiske og ikke-lineære effekter med ansættelse af aktive og ikke -lineære kredsløbsenheder, såsom operationsforstærkere og varaktordioder.