研究人员证明了新形式的电子物质的存在

研究人员已经制作了一个称为四极拓扑绝缘体的新物质阶段的“人体尺度”演示，最近使用理论物理学进行了预测。这些是验证该理论的第一个实验结果。

研究人员在“自然”杂志上报道了他们的发现

该团队与QTI的合作源于对一类称为拓扑绝缘体的材料特性的十年认识。机械科学与工程学教授兼高级研究员Gaurav Bahl说：“TI是内部的电绝缘体和沿着它们边界的导体，并且可能具有帮助构建低功率，强大的计算机和设备的巨大潜力，所有这些都在原子尺度上定义。” 。

TI不常见的特性使它们成为一种特殊形式的电子物质。“电子的集合可以在材料中形成自己的相位。这些可能是熟悉的固体，液体和气体相，如水，但它们有时也会形成更像TI的不寻常的阶段，“共同作者和物理学教授泰勒休斯说。

休斯表示，TI通常存在于晶体材料中，其他研究证实TI阶段存在于天然存在的晶体中，但仍有许多理论预测需要确认。

一种这样的预测是存在具有称为四极矩的电特性的新型TI。“电子是在材料中携带电荷的单个粒子，”物理学研究生Wladimir Benalcazar说。“我们发现晶体中的电子可以共同排列，不仅可以产生偶极子单元电荷 - 也就是正负电荷的配对 - 而且还可以产生高阶多极，其中四个或八个电荷汇集成一个单元。这些高阶类中最简单的成员是四极，其中两个正电荷和两个负电荷耦合在一起。“

目前用原子设计原子是不可行的，更不用说控制电子的四极行为了。相反，该团队使用从印刷电路板创建的材料构建了可操作的QTI模拟。每个电路板都有一个由四个相同的谐振器构成的方块 - 这些谐振器吸收特定频率的电磁辐射。电路板以网格图案排列，以创建完整的晶体模拟。

“每个谐振器都表现为一个原子，它们之间的连接表现为原子之间的连接，”首席作者兼电气工程研究生基特彼得森说。“我们将微波辐射应用于系统，并测量每个谐振器吸收多少，这告诉我们电子在类似晶体中的表现。谐振器吸收的微波辐射越多，就越有可能在相应的原子上找到电子。“

研究人员说，这使得这个QTI而不是TI的细节是谐振器之间连接细节的结果。

“QTI的边缘不像你在典型的TI中看到的那样导电，”Bahl说，“而只是角落是活跃的，即边缘的边缘，并且类似于四个局部点电荷形成所谓的四极矩。正如泰勒和弗拉基米尔预测的那样。“

彼得森说：“我们测量了QTI吸收的每个谐振器的微波辐射量，确认了精确频率范围内的谐振状态，并准确定位在角落里。” “这指出了预测的受保护状态的存在，这些状态将由电子填充以形成四个角落电荷。”

这个新阶段的电子物质的那些角落费用可能能够存储用于通信和计算的数据。“使用我们的'人体尺度'模型可能看起来不太现实，”休斯说。“然而，当我们在原子尺度上考虑QTI时，对于执行计算和信息处理的设备来说，可能会出现巨大的可能性，甚至可能达到我们今天所能达到的规模。”

研究人员表示，实验与预测之间的一致性使科学家们开始认识到QTI的物理特性已经足够实用。

“作为理论物理学家，弗拉迪米尔和我可以预测这种新形式的物质的存在，但到目前为止还没有找到具有这些物质的物质，”休斯说。“与工程师合作有助于将我们的预测变为现实。”