Knyttning af halvmetaller i topologiske elektriske kredsløb

Opfundet mere end 15, 000 år siden, knuder repræsenterer et af de tidligste teknologiske gennembrud ved begyndelsen af ​​menneskehedens historie, der kickstartede den efterfølgende opkomst af menneskelig civilisation. Selv i dag, vi er stadig afhængige af knuder i vores daglige liv. snørebånd knuder, for eksempel, har spillet en afgørende rolle i at holde skoene godt på fødderne i generationer. Selvom knuder er ældgamle opfindelser, den videnskabelige og matematiske betydning af knuder blev først opdaget for omkring 200 år siden.

Berømte matematikere, såsom Carl Frederich Gauss og Peter Guthrie Tait, udviklede de generelle opskrifter til at konstruere forskellige knob, og de matematiske regler, der styrer klassificeringen af ​​knuder i henhold til deres matematiske adfærd. I dag, knudeteori har dannet en af ​​de centrale søjler på mange områder, herunder datalogi, molekylær Biologi, proteinfoldning, DNA-teknik, og opdagelse af lægemidler.

Spændende nok, de elektroniske egenskaber af en ejendommelig type metaller, kendt som de nodalknudehalvmetaller, kan også udvise kompleks adfærd, der matematisk efterligner knuder. Disse ejendommelige knob er kendt som momentum-rumknuden, som opstår, når flere elektroniske bands er flettet sammen og viklet sammen. Kort fortalt, konceptet med elektroniske bånd giver et kraftfuldt fysikbillede, som er særligt nyttigt til at beskrive faste stoffers elektroniske egenskaber. Momentum space er 'landskabet', der er vært for sådanne elektroniske bands.

For eksempel, elektrisk isolerede faste stoffer har typisk lommer af bånd, der er godt adskilt af tomme hulrum - disse tomme hulrum i momentumrummet tjener som en "ingenmandszone", der forbyder elektricitetsflow, hvilket gør et sådant materiale til en elektrisk isolerende egenskab. På den anden side, den relativt store overflod af elektroniske bånd og fraværet af hulrum i metaller tillader elektricitet at strømme igennem det mere ubesværet, hvilket gør dem til gode ledere.

Det, der gør nodalknudehalvmetaller særligt usædvanlige sammenlignet med normale metaller, er, at de elektroniske bånd flettes ind i hinanden og vikles sammen for at danne knudrede strukturer i momentumrummet. Dette svarer matematisk til de knaster, vi møder i hverdagen.

Selvom nodalknudemetaller er blevet forudsagt at eksistere i flere krystaller, Syntetisering af disse eksotiske krystaller og sondering af de subtile momentum-rumknuder er fortsat en formidabel opgave. For at afhjælpe sådanne vanskeligheder, fysikere fra Singapore og Tyskland er kommet med en ny klasse af designer elektriske systemer i 2018, som udelukkende er baseret på en elektrisk printplade. Sådant designer elektrisk kredsløb, døbte topoelektriske kredsløb, kan efterligne den komplekse fysiske adfærd af krystallinske faste materialer ved hjælp af allestedsnærværende elektriske komponenter såsom modstande, kondensatorer, induktorer og operationsforstærkere. Udnyttelse af deres enorme designfleksibilitet, topoelektriske kredsløb er blevet meget brugt til at illustrere eksotiske fysikfænomener i de senere år.

Indrapportering Naturkommunikation , fysikere fra Singapore (National University of Singapore og Singapore University of Technology and Design), Tyskland (Universitetet i Würzburg) og Kina (Sun Yat-sen Universitetet) har opnået et gennembrud i syntesen og målingen af ​​momentum rumknudeknuder ved hjælp af topoelektriske kredsløb.

"Forskersamfundet er nået langt i opdagelsen af ​​eksotiske faser af stof. For mere end ti år siden, den første topologiske isolator blev syntetiseret, markerer første gang robuste topologisk beskyttede fænomener blev opdaget i et ægte materiale. I dag, vi har ikke kun konstrueret et sofistikeret topologisk system baseret på sammenknyttede strukturer, men indså det også med lave omkostninger, allestedsnærværende elektriske komponenter" sagde Dr. Ching Hua Lee, assisterende professor ved National University of Singapore, der ledede det internationale forskerhold, og var banebrydende for tilgangen til at bruge topoelektriske kredsløb til at studere fundamentale fysikfænomener.

Et ret usædvanligt aspekt af momentum-rumknuderne er eksistensen af ​​en rygende pistol elektrisk signatur ved grænsen af ​​nodalknudemetallet, almindeligvis kendt som "trommehovedstaterne". At måle tromlehovedtilstande i faste materialer er dog meget udfordrende, og kræver typisk avancerede instrumenter, såsom højenergisynkrotron røntgenstråler og ultrahøjvakuummiljøer. I modsætning, sondering af trommehovedtilstande i topoelektriske kredsløb kræver kun simple elektriske målinger, som let kan udføres i de fleste laboratorier.

"Topologiske effekter kræver meget præcise værdier af induktor/kondensatorkomponenter. For at modvirke denne vanskelighed, vi brugte maskinlæring til at finde variationer af kredsløbsdesignet, som viste de samme topologiske fænomener, men som kan konstrueres ved hjælp af mindre præcist fremstillede dele." " sagde Amanda Sustrino, et forskerholdsmedlem fra Singapore University of Technology and Design.

Hjælpet af maskinlæringsalgoritmer, holdet har designet topoelektriske kredsløb, der fungerer ved 'sweet spots', som er særligt robuste over for elektrisk støj. Dette nye design gør det muligt entydigt at identificere de undvigende elektriske signaturer af trommeskivetilstande.

"Evnen til at styre elektriske kredsløb ved hjælp af topologi kan tilbyde en ny vej mod elektrisk signalbehandling, fjernmåling, og digital informationsbehandling ved hjælp af billige komponenter med lavt strømforbrug. Disse aspekter kan være uhyre vigtige for fremtidige teknologier såsom IoT og andre 5G-netværk, " sagde adjunkt Yee Sin Ang fra Singapore University of Technology and Design.