A topológiai szigetelőkben megfigyelt frakcionált elektronikus töltés aláírásai

Egyetlen elektron töltése, e, az elektromos töltés alapegységeként van meghatározva. Mivel az elektronok - az elektromosságot hordozó szubatomi részecskék - elemi részecskék és nem oszthatók fel, az elektronikus töltés frakcióival általában nem találkozunk. Ennek ellenére az illinoisi egyetem kutatói, az Urbana-Champaign nemrégiben megfigyelték az e/4-től 2e/3-ig terjedő frakcionális töltések aláírását a topológiai kristályos szigetelőként ismert egzotikus anyagokban.

Gaurav Bahl gépész- és mérnökprofesszor, valamint Taylor Hughes fizika professzor által vezetett kutatócsoport 2017 óta ultramagas frekvenciájú elektromos áramköröket használ a topológiai szigetelők tanulmányozásához. A tudomány a csapat kristályos szigetelőkkel kapcsolatos elméleti munkájából ered.

Hughes elmagyarázza: "Furcsának tűnhet, hogy frakcionális töltések is létezhetnek, tekintettel arra, hogy az elektronok oszthatatlanok. De amikor egy anyag teljes töltését vizsgáljuk, akkor sok elektron hozzájárulását vesszük figyelembe. Attól függően, hogy az elektronikus töltések milyenek az űrben elrendezve együttműködhetnek, hogy maguk mögött hagyják a töltés lokalizált és élesen kvantált részét. "

A frakcionális töltéseket befogadó anyag legegyszerűbb példája az atomok egydimenziós lánca, amelynek középpontjában visszaverődési szimmetria található. Ha a láncban lévő pozitív ionok száma megegyezik az elektronok számával, akkor minden töltéssemlegesnek tűnik. Ha azonban a számok nem egyenlők, mondjuk például, ha hiányzik egy elektron, akkor a hiányzó negatív töltés kénytelen egyenlően felosztani a lánc két szimmetrikus oldala között, így mindkét oldalon egy tört e/2 töltés marad. "Az általunk vizsgált forgásszimmetrikus anyagokban a frakcionális töltések az alapul szolgáló szimmetriától függően 1/3, 1/4 vagy akár 1/6 egységekben is létezhetnek" - mondta Hughes.

Ezen töredéktöltetek aláírásának kísérleti megkeresése érdekében a csapat speciálisan mikrohullámú rezonátorokból álló áramköröket épített, amelyek olyan készülékek, amelyek az elektromágneses sugárzást csak meghatározott frekvencián (körülbelül ugyanolyan frekvencián veszik fel, mint a mikrohullámú sütő). Ezek a centiméteres méretű rezonátorok úgy viselkednek, mint egy valódi anyag atomjai, lehetővé téve sokféle anyaglehetőség felépítését és tesztelését.

"Sajnos jelenleg nem lehet atomot atomonként megépíteni, és gyakran nehéz olyan természetben előforduló anyagokat találni, amelyek tulajdonságai a keresettek. Ehelyett a kristályok áramköri analógjait építettük fel, amelyek előrejelzései szerint frakcionális töltésekre számítottak. Ezzel a megközelítéssel megmérhetjük, hogy ezek az áramkörök miként veszik fel a sugárzást, és ezt felhasználva kiszámíthatjuk, hogyan viselkednének az elektronok egy hasonló szilárdtest kristályban "- osztotta meg villamosmérnöki hallgató és vezető szerző, Christopher Peterson.

Korábbi elméleti tanulmányok azt sugallták, hogy a frakcionális töltések mérése kulcsfontosságú az új anyagosztály felismeréséhez, az úgynevezett magasabb rendű topológiai szigetelőknek, de ennek kísérleti tesztelésére nem volt mód. Miután létrehoztak egy új módszert az ilyen frakcionális töltések mérésére, a kutatók új metrikát is kifejlesztettek és bemutathattak a magas rendű topológia azonosítására.

A topológiai szigetelők nemrégiben hírnevet szereztek a határok robusztus vezető csatornáiról, amelyek érintetlen állapotban maradnak akkor is, ha az anyagnak hibái vannak. Ez a robusztusság nagyon csábító, mivel felhasználható az elektronikus és optikai eszközök hatékonyabbá tételére, az elektromosság vagy az elektromágneses hullámok átvitelének védelme mellett, a gyártási hibák vagy sérülések ellenére. Az újonnan felfedezett magasabb rendű topológiai szigetelők kiegészítik ezt a történetet azzal, hogy védett vezető csatornákat látnak el a határok kereszteződésében, pl. élek helyett sarkokban, ami nagyban kibővítheti a robusztus technológiák lehetőségeit.

"Az általunk bemutatott új azonosítási módszer lehetővé teheti a tudósok számára, hogy egyértelműen azonosítsák a tetszőleges rendű topológiai szigetelőket, a frakcionális töltet-aláírásuk segítségével. Végső soron ez a topológiai anyagokon alapuló hatékonyabb és robusztusabb eszközök ígéretét hozza közelebb a valósághoz." - mondta Gaurav Bahl, a csapat vezetője.

A munkát az Egyesült Államok Nemzeti Tudományos Alapítványa és a Tengerészeti Kutatási Hivatal támogatta. A cikk munkatársai között volt Tianhe Li, az UIUC fizikus hallgatója és Wladimir Benalcazar, a Pennsylvaniai Állami Egyetem posztdoktori munkatársa is.