Existência de nova forma de matéria eletrônica
Uma placa de circuito único, em primeiro plano, que quando juntou-se a outros forma a matriz experimental do isolador topológico quadrupolo.
Os
pesquisadores produziram uma demonstração de "escala humana" de uma
nova fase de matéria chamada isoladores topológicos quadripolares que
foi recentemente prevista usando a física teórica. Estes são os primeiros achados experimentais para validar essa teoria.
Os pesquisadores relatam suas descobertas na revista Nature .
O trabalho da equipe com QTIs nasceu da década de idade, compreensão das propriedades de uma classe de materiais chamados isoladores topológicos. "As TIs são isoladores elétricos no interior e os condutores ao longo de seus limites e podem ter um grande potencial para ajudar a construir computadores e dispositivos de baixa potência, robustos, tudo definido na escala atômica", disse o professor de engenharia e engenharia mecânica e investigador sénior Gaurav Bahl .
As propriedades incomuns das TI tornam-na uma forma especial de matéria eletrônica. "As coleções de elétrons podem formar suas próprias fases dentro dos materiais. Estas podem ser familiares fases sólidas, líquidas e gasosas como a água, mas também podem às vezes formar fases mais incomuns como uma TI", disse o co-autor e professor de física Taylor Hughes.
As TI geralmente existem em materiais cristalinos e outros estudos confirmam fases TI presentes em cristais naturais, mas ainda há muitas previsões teóricas que precisam ser confirmadas, disse Hughes.
Uma dessas previsões foi a existência de um novo tipo de TI possuindo uma propriedade elétrica conhecida como um momento quadrupolo. "Os elétrons são partículas únicas que carregam carga em um material", disse o estudante de física Wladimir Benalcazar. "Descobrimos que os elétrons em cristais podem coletivamente organizar para dar origem, não só a cobrar unidades de dipolo - ou seja, emparelhamentos de cargas positivas e negativas -, mas também multipoles de alta ordem em que quatro ou oito cargas são reunidas em uma unidade .
O membro mais simples dessas classes de ordem superior são quadrupolos em que duas cargas positivas e duas negativas são acopladas ".
Atualmente, não é viável engenharia de um átomo material por átomo, muito menos controle o comportamento quadrupolar dos elétrons. Em vez disso, a equipe criou um análogo de escala operacional de um QTI usando um material criado a partir de placas de circuito impresso. Cada placa de circuito possui um quadrado de quatro ressonadores idênticos - dispositivos que absorvem a radiação eletromagnética em uma freqüência específica. As placas são dispostas em um padrão de grade para criar o análogo de cristal completo.
"Cada ressonador se comporta como um átomo, e as conexões entre eles se comportam como ligações entre os átomos", disse Kitt Peterson, o autor principal e um estudante de pós-graduação em engenharia elétrica. "Aplicamos radiação de microondas ao sistema e medimos o quanto é absorvido por cada ressonador, o que nos diz sobre como os elétrons se comportam em um cristal análogo. Quanto mais radiação de microondas é absorvida por um ressonador, mais provável é encontrar um elétron no átomo correspondente ".
O detalhe que o torna um QTI e não uma TI é um resultado das especificidades das conexões entre ressonadores, disseram os pesquisadores.
"As bordas de um QTI não são condutoras, como você veria em uma TI típica", disse Bahl. "Em vez disso, apenas os cantos estão ativos, isto é, as bordas das bordas e são análogos às quatro cargas de pontos localizados que forma o que é conhecido como um momento quadrupolo. Exatamente como Taylor e Wladimir previam ".
"Nós medimos a quantidade de radiação de microondas que cada ressonador dentro do QTI absorvido, confirmando os estados ressonantes em uma faixa de freqüência precisa e localizado precisamente nos cantos", disse Peterson. "Isso apontou para a existência de estados protegidos previstos que seriam preenchidos por elétrons para formar quatro cargas de canto".
Essas acusações de canto desta nova fase da matéria eletrônica podem ser capazes de armazenar dados para comunicação e computação. "Isso pode não parecer realista usando nosso modelo de" escala humana ", disse Hughes. "No entanto, quando pensamos em QTIs na escala atômica, possibilidades tremendas tornam-se aparentes para dispositivos que executam computação e processamento de informações, possivelmente até a escalas abaixo que podemos alcançar hoje".
Os pesquisadores disseram que o acordo entre o experimento ea previsão ofereceu a promessa de que os cientistas estão começando a entender a física dos QTIs bem o suficiente para uso prático.
"Como físicos teóricos, Wladimir e eu podíamos prever a existência desta nova forma de matéria, mas nenhum material foi encontrado para ter essas propriedades até agora", disse Hughes. "Colaborar com os engenheiros ajudou a transformar a nossa previsão em realidade".
A National Science Foundation e o US Office of Naval Research apoiaram este estudo.
O trabalho da equipe com QTIs nasceu da década de idade, compreensão das propriedades de uma classe de materiais chamados isoladores topológicos. "As TIs são isoladores elétricos no interior e os condutores ao longo de seus limites e podem ter um grande potencial para ajudar a construir computadores e dispositivos de baixa potência, robustos, tudo definido na escala atômica", disse o professor de engenharia e engenharia mecânica e investigador sénior Gaurav Bahl .
As propriedades incomuns das TI tornam-na uma forma especial de matéria eletrônica. "As coleções de elétrons podem formar suas próprias fases dentro dos materiais. Estas podem ser familiares fases sólidas, líquidas e gasosas como a água, mas também podem às vezes formar fases mais incomuns como uma TI", disse o co-autor e professor de física Taylor Hughes.
As TI geralmente existem em materiais cristalinos e outros estudos confirmam fases TI presentes em cristais naturais, mas ainda há muitas previsões teóricas que precisam ser confirmadas, disse Hughes.
Uma dessas previsões foi a existência de um novo tipo de TI possuindo uma propriedade elétrica conhecida como um momento quadrupolo. "Os elétrons são partículas únicas que carregam carga em um material", disse o estudante de física Wladimir Benalcazar. "Descobrimos que os elétrons em cristais podem coletivamente organizar para dar origem, não só a cobrar unidades de dipolo - ou seja, emparelhamentos de cargas positivas e negativas -, mas também multipoles de alta ordem em que quatro ou oito cargas são reunidas em uma unidade .
O membro mais simples dessas classes de ordem superior são quadrupolos em que duas cargas positivas e duas negativas são acopladas ".
Atualmente, não é viável engenharia de um átomo material por átomo, muito menos controle o comportamento quadrupolar dos elétrons. Em vez disso, a equipe criou um análogo de escala operacional de um QTI usando um material criado a partir de placas de circuito impresso. Cada placa de circuito possui um quadrado de quatro ressonadores idênticos - dispositivos que absorvem a radiação eletromagnética em uma freqüência específica. As placas são dispostas em um padrão de grade para criar o análogo de cristal completo.
"Cada ressonador se comporta como um átomo, e as conexões entre eles se comportam como ligações entre os átomos", disse Kitt Peterson, o autor principal e um estudante de pós-graduação em engenharia elétrica. "Aplicamos radiação de microondas ao sistema e medimos o quanto é absorvido por cada ressonador, o que nos diz sobre como os elétrons se comportam em um cristal análogo. Quanto mais radiação de microondas é absorvida por um ressonador, mais provável é encontrar um elétron no átomo correspondente ".
O detalhe que o torna um QTI e não uma TI é um resultado das especificidades das conexões entre ressonadores, disseram os pesquisadores.
"As bordas de um QTI não são condutoras, como você veria em uma TI típica", disse Bahl. "Em vez disso, apenas os cantos estão ativos, isto é, as bordas das bordas e são análogos às quatro cargas de pontos localizados que forma o que é conhecido como um momento quadrupolo. Exatamente como Taylor e Wladimir previam ".
"Nós medimos a quantidade de radiação de microondas que cada ressonador dentro do QTI absorvido, confirmando os estados ressonantes em uma faixa de freqüência precisa e localizado precisamente nos cantos", disse Peterson. "Isso apontou para a existência de estados protegidos previstos que seriam preenchidos por elétrons para formar quatro cargas de canto".
Essas acusações de canto desta nova fase da matéria eletrônica podem ser capazes de armazenar dados para comunicação e computação. "Isso pode não parecer realista usando nosso modelo de" escala humana ", disse Hughes. "No entanto, quando pensamos em QTIs na escala atômica, possibilidades tremendas tornam-se aparentes para dispositivos que executam computação e processamento de informações, possivelmente até a escalas abaixo que podemos alcançar hoje".
Os pesquisadores disseram que o acordo entre o experimento ea previsão ofereceu a promessa de que os cientistas estão começando a entender a física dos QTIs bem o suficiente para uso prático.
"Como físicos teóricos, Wladimir e eu podíamos prever a existência desta nova forma de matéria, mas nenhum material foi encontrado para ter essas propriedades até agora", disse Hughes. "Colaborar com os engenheiros ajudou a transformar a nossa previsão em realidade".
A National Science Foundation e o US Office of Naval Research apoiaram este estudo.
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