研究人員證實了存在新的電子物質形態

研究人員們已經開展了一個「人體尺度」的演示，即最近使用理論物理學預測的一種稱為四極拓撲絕緣體(QTI)的新物質形態。這是驗證這一理論的第一個實驗結果。

研究人員在「Nature」雜誌上發表了他們的發現（「A quantized microwave quadrupole insulator with topologically protected corner states」）。

一個單一的電路板的近景照片，當與其他電路板聯合時形成四極拓撲絕緣體的實驗陣列。圖片來源：L. Brian Stauffer

該團隊對QTI的研究源於對一類被稱為拓撲絕緣體（TI）的材料性質的十多年的了解。「TI是內部的電絕緣體和沿其邊界的導體，並且可能在幫助構建低功率、強大的計算機和器件方面發揮巨大的潛力，所有這些器件都是在原子級的定義。」機械科學與工程教授兼高級研究員Gaurav Bahl說到。

TI的不尋常的屬性使其成為電子物質的一種特殊形式。本論文的共同作者兼物理學教授Taylor Hughes說：「電子收集可以在材料內部形成自己的相，這些相可以是熟悉的固相、液相和氣相，比如水，但它們有時也可以形成像TI這種更不尋常的相。」

TIs通常存在於晶體材料中，其他研究證實TI相存在於天然晶體中，但仍有許多理論預測需要證實，Hughes說。

一種預測認為，存在一種具有被稱為四極矩的電特性的新型TI。「物理學研究生Wladimir Benalcazar說：」電子是一種物質中攜帶電荷的粒子。「我們發現晶體中的電子可以共同排列，這種共同排列不僅可以引起偶極子單元的充電 - 即正負電荷的配對 - 而且可以產生高階多極，在所述高階多極中四階或八階電荷組合成一個單元。這些高階的單元中最簡單的一類是四極，其中兩個正電荷和兩個負電荷耦合。」

偶極矩可以用兩個電荷來表示，一個正電荷和一個負電荷，在一個維度上分開，四極矩可以由四個電荷在兩維中分開來表示，八極矩類似 圖片來源：Kitt Peterson

目前尚不可能逐個原子地設計出一種材料，更不用說控制電子的四極行為。相反，該團隊使用印刷電路板創建的材料構建了可操作的QTI對等物。每塊電路板上裝有四個相同諧振器的四方塊 – 諧振器是吸收特定頻率電磁輻射的裝置。這些電路板以網格模式排列以創建完整的晶體對等物。

「每個諧振器都像一個原子一樣運作，它們之間的聯繫表現為原子之間的聯繫，」本論文的第一作者、電氣工程研究生Kitt Peterson說到。「我們將微波輻射應用到系統中，並測量每個諧振器的吸收量，從而告訴我們電子在類似晶體中的行為。微波輻射被諧振器吸收的越多，在相應的原子上找到電子的可能性就越大」。

研究人員說，諧振器之間的連接特性使得這個結構成為QTI而不是TI。

Bahl表示：「QTI的邊緣不像你在典型的TI中看到的那樣是導電的，而是只有邊角是導電的，即邊緣的邊角，並且類似於四個局部點電荷形成所謂的四極矩，正如Taylor和Wladimir所預言的那樣。「

「我們測量了QTI內每個諧振器吸收的微波輻射量，確定了精確頻率範圍內的諧振狀態，並精確定位在角落內，」Peterson說。「這表明預計絕緣狀態的位置將被電子填滿，形成四個角落電荷。」

這個新的電子物質形態的角落電荷可能能夠存儲用於通信和計算的數據。「使用我們的"人類尺度"模型可能不太現實，」Hughes說到。「但是，當我們在原子尺度上考慮QTI時，對於執行計算和信息處理的器件來說，巨大的可能性會變得很明顯，甚至可能低於我們今天可以達到的尺度。」

研究人員們表示，實驗和預測之間的一致使得科學家們開始很好地理解QTI的物理特性，以供實際使用。

「作為理論物理學家，Wladimir和我可以預測這種新的物質形態的存在，但迄今為止還沒有發現物質本身具有這些性質，」Hughes說。「與工程師合作幫助我們將預測變為現實。」

資料來源：伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校提供的材料。 注意：可以根據樣式和長度編輯內容。

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