Un seul circuit imprimé, premier plan, qui, lorsqu'il est joint à d'autres, forme le réseau expérimental de l'isolateur topologique quadripolaire. Crédit :L. Brian Stauffer
Les chercheurs ont produit une démonstration "à l'échelle humaine" d'une nouvelle phase de matière appelée isolants topologiques quadripolaires qui a été récemment prédite à l'aide de la physique théorique. Ce sont les premiers résultats expérimentaux à valider cette théorie.
Les chercheurs rapportent leurs découvertes dans la revue La nature .
Le travail de l'équipe avec les QTI est né de la compréhension vieille de dix ans des propriétés d'une classe de matériaux appelés isolants topologiques. "Les TI sont des isolants électriques à l'intérieur et des conducteurs le long de leurs limites, et peut avoir un grand potentiel pour aider à construire une faible puissance, ordinateurs et appareils robustes, tous définis à l'échelle atomique, ", a déclaré le professeur de sciences mécaniques et d'ingénierie et chercheur principal Gaurav Bahl.
Les propriétés inhabituelles des TI en font une forme particulière de matière électronique. "Les collections d'électrons peuvent former leurs propres phases dans les matériaux. Ceux-ci peuvent être des solides familiers, phases liquide et gazeuse comme l'eau, mais ils peuvent aussi parfois former des phases plus inhabituelles comme un TI, ", a déclaré le co-auteur et professeur de physique Taylor Hughes.
Les TI existent généralement dans les matériaux cristallins et d'autres études confirment que les phases TI sont présentes dans les cristaux naturels, mais il reste encore de nombreuses prédictions théoriques à confirmer, dit Hugues.
L'une de ces prédictions était l'existence d'un nouveau type de TI ayant une propriété électrique connue sous le nom de moment quadripolaire. "Les électrons sont des particules simples qui portent une charge dans un matériau, " a déclaré l'étudiant diplômé en physique Wladimir Benalcazar. " Nous avons découvert que les électrons dans les cristaux peuvent s'arranger collectivement pour donner naissance non seulement à des unités dipolaires des appariements de charges positives et négatives - mais aussi des multipôles d'ordre élevé dans lesquels quatre ou huit charges sont réunies en une unité. Le membre le plus simple de ces classes d'ordre supérieur sont les quadripôles dans lesquels deux charges positives et deux charges négatives sont couplées."
Il n'est actuellement pas possible de concevoir un matériau atome par atome, encore moins contrôler le comportement quadripolaire des électrons. Au lieu, l'équipe a construit un analogue à l'échelle exploitable d'un QTI en utilisant un matériau créé à partir de cartes de circuits imprimés. Chaque circuit imprimé contient un carré de quatre résonateurs identiques - des dispositifs qui absorbent le rayonnement électromagnétique à une fréquence spécifique. Les planches sont disposées en grille pour créer l'analogue en cristal complet.
Un moment dipolaire peut être représenté par deux charges, un positif et un négatif, séparés dans une dimension, un moment quadripolaire peut être représenté par quatre charges séparées en deux dimensions, etc. Crédit :Graphique avec l'aimable autorisation de Kitt Peterson.
"Chaque résonateur se comporte comme un atome, et les connexions entre eux se comportent comme des liaisons entre atomes, " a déclaré Kitt Peterson, l'auteur principal et un étudiant diplômé en génie électrique. "Nous appliquons un rayonnement micro-ondes au système et mesurons la quantité absorbée par chaque résonateur, qui nous dit comment les électrons se comporteraient dans un cristal analogue. Plus le rayonnement micro-ondes est absorbé par un résonateur, plus il est probable de trouver un électron sur l'atome correspondant."
Le détail qui en fait un QTI et non un TI est le résultat des spécificités des connexions entre les résonateurs, les chercheurs ont dit.
"Les bords d'un QTI ne sont pas conducteurs comme vous le verriez dans un TI typique, " Bahl a dit, "Au lieu de cela, seuls les coins sont actifs, C'est, les bords des bords, et sont analogues aux quatre charges ponctuelles localisées qui formeraient ce qu'on appelle un moment quadripolaire. Exactement comme Taylor et Wladimir l'avaient prédit."
"Nous avons mesuré la quantité de rayonnement micro-ondes absorbée par chaque résonateur dans notre QTI, confirmer les états de résonance dans une gamme de fréquence précise et localisée précisément dans les coins, " Peterson a déclaré. "Cela indiquait l'existence d'états protégés prédits qui seraient remplis par des électrons pour former des charges aux quatre coins."
Ces frais de coin de cette nouvelle phase de la matière électronique peuvent être capables de stocker des données pour les communications et l'informatique. « Cela peut ne pas sembler réaliste en utilisant notre modèle à « échelle humaine », " dit Hughes. " Cependant, quand on pense aux QTI à l'échelle atomique, d'énormes possibilités deviennent apparentes pour les appareils qui effectuent des calculs et du traitement de l'information, peut-être même à des échelles inférieures à celles que nous pouvons atteindre aujourd'hui."
Les chercheurs ont déclaré que l'accord entre l'expérience et la prédiction promettait que les scientifiques commencent à comprendre suffisamment bien la physique des QTI pour une utilisation pratique.
"En tant que physiciens théoriciens, Wladimir et moi pouvions prédire l'existence de cette nouvelle forme de matière, mais aucun matériau n'a été trouvé pour avoir ces propriétés jusqu'à présent, " a déclaré Hughes. " La collaboration avec les ingénieurs a permis de transformer nos prévisions en réalité. "
