Una sola placa de circuito, primer plano, que cuando se une con otros forma la matriz experimental del aislante topológico cuadripolar. Crédito:L. Brian Stauffer
Los investigadores han producido una demostración a "escala humana" de una nueva fase de la materia denominada aislantes topológicos cuadripolares que se predijo recientemente utilizando la física teórica. Estos son los primeros hallazgos experimentales para validar esta teoría.
Los investigadores informan sus hallazgos en la revista. Naturaleza .
El trabajo del equipo con QTI nació de la comprensión de una década de las propiedades de una clase de materiales llamados aislantes topológicos. "Los TI son aislantes eléctricos en el interior y conductores a lo largo de sus límites, y puede tener un gran potencial para ayudar a construir bajo consumo, computadoras y dispositivos robustos, todo definido a escala atómica, ", dijo el profesor de ingeniería y ciencias mecánicas e investigador principal Gaurav Bahl.
Las propiedades poco comunes de los TI los convierten en una forma especial de materia electrónica. "Las colecciones de electrones pueden formar sus propias fases dentro de los materiales. Pueden ser sólidos familiares, fases líquidas y gaseosas como el agua, pero a veces también pueden formar fases más inusuales como un TI, "dijo el coautor y profesor de física Taylor Hughes.
Los TI normalmente existen en materiales cristalinos y otros estudios confirman que las fases de TI están presentes en los cristales naturales, pero todavía hay muchas predicciones teóricas que deben confirmarse, Dijo Hughes.
Una de esas predicciones fue la existencia de un nuevo tipo de TI que tiene una propiedad eléctrica conocida como momento cuadripolo. "Los electrones son partículas individuales que llevan carga en un material, ", dijo el estudiante de posgrado en física Wladimir Benalcazar." Descubrimos que los electrones en los cristales pueden organizarse colectivamente para dar lugar no solo a unidades de dipolo de carga, es decir, emparejamientos de cargas positivas y negativas, pero también multipolos de alto orden en los que cuatro u ocho cargas se unen en una unidad. El miembro más simple de estas clases de orden superior son los cuadrupolos en los que se acoplan dos cargas positivas y dos negativas ".
Actualmente no es factible diseñar un material átomo por átomo, y mucho menos controlar el comportamiento cuadrupolar de los electrones. En lugar de, el equipo construyó un análogo a escala viable de un QTI utilizando un material creado a partir de placas de circuito impreso. Cada placa de circuito tiene un cuadrado de cuatro resonadores idénticos, dispositivos que absorben radiación electromagnética a una frecuencia específica. Las placas están dispuestas en un patrón de cuadrícula para crear el análogo de cristal completo.
Un momento dipolar se puede representar mediante dos cargas, uno positivo y otro negativo, separados en una dimensión, un momento cuadrupolo se puede representar por cuatro cargas separadas en dos dimensiones, etc. Crédito:Gráfico cortesía de Kitt Peterson.
"Cada resonador se comporta como un átomo, y las conexiones entre ellos se comportan como enlaces entre átomos, "dijo Kitt Peterson, el autor principal y un estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica. "Aplicamos radiación de microondas al sistema y medimos cuánto es absorbido por cada resonador, que nos dice cómo se comportarían los electrones en un cristal análogo. Cuanta más radiación de microondas es absorbida por un resonador, más probable es que encuentre un electrón en el átomo correspondiente ".
El detalle que hace que este sea un QTI y no un TI es el resultado de los detalles de las conexiones entre resonadores, dijeron los investigadores.
"Los bordes de un QTI no son conductores como los vería en un TI típico, "Bahl dijo, "En cambio, solo las esquinas están activas, es decir, los bordes de los bordes, y son análogos a las cuatro cargas puntuales localizadas que formarían lo que se conoce como momento cuadripolo. Exactamente como predijeron Taylor y Wladimir ".
"Medimos cuánta radiación de microondas absorbía cada resonador dentro de nuestro QTI, confirmando los estados resonantes en un rango de frecuencia preciso y ubicado precisamente en las esquinas, ", Dijo Peterson." Esto apunta a la existencia de estados protegidos previstos que serían llenados por electrones para formar cuatro cargas de esquina ".
Esos cargos de esquina de esta nueva fase de la materia electrónica pueden ser capaces de almacenar datos para comunicaciones e informática. "Puede que eso no parezca realista con nuestro modelo de 'escala humana', "Dijo Hughes." Sin embargo, cuando pensamos en QTI a escala atómica, Se hacen evidentes tremendas posibilidades para los dispositivos que realizan computación y procesamiento de información, posiblemente incluso a escalas inferiores a las que podemos lograr hoy ".
Los investigadores dijeron que el acuerdo entre el experimento y la predicción ofrecía la promesa de que los científicos están comenzando a comprender la física de los QTI lo suficientemente bien para su uso práctico.
"Como físicos teóricos, Wladimir y yo pudimos predecir la existencia de esta nueva forma de materia, pero hasta ahora no se ha encontrado ningún material que tenga estas propiedades, "Dijo Hughes." Colaborar con ingenieros ayudó a convertir nuestra predicción en realidad ".
