Ученые демонстрируют существование новой формы электронного вещества

Исследователи  продемонстрировали новую фазу вещества, называемой квадрупольными топологическими изоляторами (КТИ или QTI) в «человеческом масштабе», которая недавно была предсказана с использованием теоретической физики. Это первые экспериментальные данные, подтверждающие эту теорию.

Исследователи сообщают о своих выводах в журнале Nature.

Работа команды ученых с QTI возникла из десятилетнего понимания свойств класса материалов, называемых топологическими изоляторами. «ТИ являются электрическими изоляторами внутри и проводниками вдоль их границ и могут иметь большой потенциал для поддержки создания мощных, надежных компьютеров и устройств, определенных в атомном масштабе», — сказал профессор механической науки и техники и старший научный сотрудник Гаурав Бахль.

Необычные свойства ТИ делают их особым видом электронного вещества. «Коллекции электронов могут формировать собственные фазы в материалах, это знакомые нам твердые, жидкие и газообразные фазы, но иногда они могут образовывать более необычные фазы, такие как ТИ», — сказал соавтор работы и профессор физики Тейлор Хьюз.

ТИ обычно существуют в кристаллических материалах, а другие исследования подтверждают, что фазы ТИ присутствуют в встречающихся в природе кристаллах, но есть еще много теоретических предсказаний, которые необходимо подтвердить, сказал Хьюз.

Одним из таких предсказаний было существование нового типа ТИ, обладающего электрическим свойством, известным как квадрупольный момент. «Электроны — это отдельные частицы, несущие заряд в материале», — сказал физик Владимир Беналзазар. «Мы обнаружили, что электроны в кристаллах могут коллективно действовать, чтобы создать не только зарядовые дипольные единицы, т. е. пары положительных и отрицательных зарядов, но и высокопольные мультиполы, в которых четыре или восемь зарядов объединены в единицу. Простейшим членом этих классов более высокого порядка являются квадруполы, в которых связаны два положительных и два отрицательных заряда».

В настоящее время невозможно спроектировать атом материала, не говоря уже о регулировании квадрупольного поведения электронов. Вместо этого команда построила аналогичный по производительности аналоговый QTI, используя материал, созданный на печатных платах. Каждая печатная плата содержит квадрат из четырех идентичных резонаторов — устройств, которые поглощают электромагнитное излучение с определенной частотой. Платы расположены в виде сетки, чтобы создать полный кристаллический аналог.

«Каждый резонатор ведет себя как атом, а связи между ними ведут себя как связи между атомами», — сказал Китт Петерсон, ведущий автор и аспирант электротехники. «Мы применяем микроволновое излучение к системе и измеряем, сколько поглощается каждым резонатором, что говорит нам о том, как электроны будут вести себя в аналогичном кристалле. Чем больше микроволнового излучения поглощается резонатором, тем более вероятно, что он найдет электрон на соответствующем атоме».
Исследователи заявили, что деталь, которая делает систему QTI, а не TI, является результатом специфики соединений между резонаторами.

«Края QTI не проводящие, как вы видели в типичном TI, — сказал Бахль, — вместо этого действуют только углы, то есть края краев, они аналогичны четырем локализованным точечным зарядам, которые образуют так называемый квадрупольный момент. Именно так предсказал Тейлор и Владимир».

«Мы измерили, сколько микроволнового излучения каждый резонатор внутри нашего QTI поглощает, подтверждая резонансные состояния в точном диапазоне частот и расположенные точно в углах», — сказал Петерсон. «Это указывало на существование предсказанных защищенных состояний, которые были бы заполнены электронами с образованием четырех угловых зарядов».

Эти угловые заряды новой фазы электронного материала могут быть способны хранить данные для связи и вычислений. «Это может показаться нереалистичным с использованием нашей модели «человеческого масштаба», — сказал Хьюз. «Однако, когда мы думаем о QTI в атомном масштабе, огромные возможности становятся очевидными для устройств, которые выполняют вычисления и обработку информации, возможно даже в масштабах ниже, которые мы можем достичь сегодня».

Исследователи заявили, что ученые начинают понимать физику QTI достаточно хорошо для практического использования.

«Как теоретики-физики, мы могли предсказать существование этой новой формы материи, но до сих пор не было найдено никаких данных об этих свойствах», — сказал Хьюз. «Сотрудничество с инженерами помогло превратить наше предсказание в реальность».

Больше информации: A quantized microwave quadrupole insulator with topologically protected corner states, Nature (2018). nature.com/articles/doi:10.1038/nature2577