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Datum:14. März 2018
Quelle:Universität von Illinois in Urbana-Champaign
Zusammenfassung:Forscher haben eine “menschliche Maßstab” -Demonstration einer neuen Phase der Materie, die als topologische Isolatoren mit Quadrupol bezeichnet wird, erstellt, die kürzlich unter Verwendung der theoretischen Physik vorhergesagt wurde. Dies sind die ersten experimentellen Ergebnisse, die diese Theorie bestätigen.
Forscher haben eine “menschliche Skala” Demonstration einer neuen Phase der Angelegenheit, die als topologische Isolatoren des Quadrupols bezeichnet wird, produziert, der kürzlich unter Verwendung der theoretischen Physik vorhergesagt wurde. Dies sind die ersten experimentellen Ergebnisse, die diese Theorie bestätigen.
Die Forscher berichten ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Nature.
Die Arbeit des Teams mit QTIs entstand aus dem jahrzehntelangen Verständnis der Eigenschaften einer Materialklasse namens topologische Isolatoren. “TIs sind elektrische Isolatoren auf der Innenseite und Leiter entlang ihrer Grenzen, und können ein großes Potenzial für die Entwicklung von Low-Power, robuste Computer und Geräte, alle auf atomarer Ebene definiert”, sagte Maschinenbau-Professor und Senior Investigator Gaurav Bahl .
Die ungewöhnlichen Eigenschaften von TIs machen sie zu einer besonderen Form elektronischer Materie. “Sammlungen von Elektronen können ihre eigenen Phasen innerhalb von Materialien bilden. Diese können feste, flüssige und gasförmige Phasen wie Wasser sein, aber manchmal können sie auch ungewöhnlichere Phasen bilden wie ein TI”, sagte Co-Autor und Physikprofessor Taylor Hughes.
TIs existieren typischerweise in kristallinen Materialien und andere Studien bestätigen TI-Phasen, die in natürlich vorkommenden Kristallen vorkommen, aber es gibt noch viele theoretische Vorhersagen, die bestätigt werden müssen, sagte Hughes.
Eine solche Vorhersage war die Existenz eines neuen Typs von TI mit einer elektrischen Eigenschaft, die als Quadrupolmoment bekannt ist. “Elektronen sind einzelne Teilchen, die Ladung in einem Material tragen”, sagte Physik-Student Wladimir Benalcazar. “Wir fanden heraus, dass Elektronen in Kristallen kollektiv so angeordnet sind, dass sie nicht nur Ladungsdipoleinheiten – also Paarungen positiver und negativer Ladungen – entstehen lassen, sondern auch Multipole höherer Ordnung, in denen vier oder acht Ladungen zu einer Einheit zusammengeführt werden Das einfachste Mitglied dieser Klassen höherer Ordnung sind Quadrupole, in denen zwei positive und zwei negative Ladungen gekoppelt sind. ”
Es ist derzeit nicht möglich, ein Atom Atom für Atom zu konstruieren, geschweige denn das Quadrupolverhalten von Elektronen zu kontrollieren. Stattdessen baute das Team ein praktikables Analogon eines QTI mit einem Material aus Leiterplatten. Jede Leiterplatte hält ein Quadrat von vier identischen Resonatoren – Geräte, die elektromagnetische Strahlung mit einer bestimmten Frequenz absorbieren. Die Bretter sind in einem Gittermuster angeordnet, um das vollständige Kristallanalog zu erzeugen.
“Jeder Resonator verhält sich wie ein Atom, und die Verbindungen zwischen ihnen verhalten sich wie Bindungen zwischen Atomen”, sagte Kitt Peterson, der leitende Autor und ein Elektrotechnik-Student. “Wir wenden Mikrowellenstrahlung auf das System an und messen, wie viel von jedem Resonator absorbiert wird, was uns sagt, wie sich Elektronen in einem analogen Kristall verhalten würden. Je mehr Mikrowellenstrahlung von einem Resonator absorbiert wird, desto wahrscheinlicher ist es, ein Elektron zu finden auf dem entsprechenden Atom. ”
Das Detail, das dies zu einem QTI macht und nicht zu einem TI, ist ein Ergebnis der Besonderheiten der Verbindungen zwischen Resonatoren, so die Forscher.
“Die Kanten eines QTIs sind nicht leitend, wie man es bei einem typischen TI sehen würde”, sagte Bahl. “Stattdessen sind nur die Ecken aktiv, also die Kanten der Kanten, und sie sind analog zu den vier lokalisierten Punktladungen bilden ein sogenanntes Quadrupol-Moment. Genau wie Taylor und Wladimir vorhergesagt haben. ”
“Wir haben gemessen, wie viel Mikrowellenstrahlung jeder Resonator in unserem QTI absorbierte, was die Resonanzzustände in einem präzisen Frequenzbereich bestätigt und genau in den Ecken liegt”, sagte Peterson. “Dies wies auf die Existenz von vorhergesagten Schutzzuständen hin, die von Elektronen gefüllt würden, um vier Eckenladungen zu bilden.”
Jene Ecklasten dieser neuen Phase der elektronischen Materie können möglicherweise Daten für Kommunikation und Datenverarbeitung speichern. “Das scheint mit unserem Modell der menschlichen Skala nicht realistisch zu sein”, sagte Hughes. “Wenn wir jedoch an QTIs auf atomarer Ebene denken, werden enorme Möglichkeiten für Geräte sichtbar, die Rechen- und Informationsverarbeitung durchführen, möglicherweise sogar in einem Bereich unterhalb dessen, was wir heute erreichen können.”
Die Forscher sagten, dass die Übereinstimmung zwischen Experiment und Vorhersage vielversprechend sei, dass Wissenschaftler beginnen, die Physik von QTIs für den praktischen Gebrauch gut zu verstehen.
“Als theoretische Physiker konnten Wladimir und ich die Existenz dieser neuen Form der Materie vorhersagen, aber es wurde bisher kein Material gefunden, das diese Eigenschaften besitzt”, sagte Hughes. “Die Zusammenarbeit mit Ingenieuren hat dazu beigetragen, unsere Vorhersage Wirklichkeit werden zu lassen.”
Die National Science Foundation und das U.S. Office of Naval Research unterstützten diese Studie.
Geschichte Quelle:
Materialien zur Verfügung gestellt von der Universität von Illinois in Urbana-Champaign. Original geschrieben von Lois E Yoksoulian. Hinweis: Der Inhalt kann für Stil und Länge bearbeitet werden.