La carga de un solo electrón, mi, se define como la unidad básica de carga eléctrica. Debido a que los electrones, las partículas subatómicas que transportan electricidad, son partículas elementales y no se pueden dividir, normalmente no se encuentran fracciones de carga electrónica. A pesar de esto, Investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han observado recientemente la firma de cargas fraccionarias que van desde e / 4 a 2e / 3 en materiales exóticos conocidos como aislantes cristalinos topológicos.

El equipo de investigadores, dirigido por el profesor de ingeniería y ciencias mecánicas Gaurav Bahl y el profesor de física Taylor Hughes, ha estado utilizando circuitos eléctricos de ultra alta frecuencia para estudiar aisladores topológicos desde 2017. Su reciente medición de carga fraccional, que aparece en el número actual de la revista Ciencias , surge del trabajo teórico del equipo sobre aisladores cristalinos.

Hughes explica, "Puede parecer extraño que incluso puedan existir cargas fraccionarias, dado que los electrones son indivisibles. Pero cuando miramos la carga total de un material, estamos considerando las contribuciones de muchos electrones. Dependiendo de cómo estén dispuestas las cargas electrónicas en el espacio, pueden cooperar para dejar una fracción de carga localizada y claramente cuantificada ".

El ejemplo más simple de un material que puede albergar cargas fraccionarias es una cadena unidimensional de átomos con una simetría de reflexión en el medio. Si el número de iones positivos en la cadena es igual al número de electrones, todo parece de carga neutral. Sin embargo, si los números no son iguales, digamos, por ejemplo, si falta un electrón, la carga negativa faltante se ve obligada a dividirse equitativamente entre los dos lados simétricos de la cadena, dejando una carga fraccional e / 2 en cada lado. "En los materiales simétricos de rotación que estamos estudiando, las cargas fraccionarias pueden existir en unidades de 1/3, 1/4, o incluso 1/6, dependiendo de la simetría subyacente, "dijo Hughes.

Para buscar la firma de estas cargas fraccionarias de forma experimental, el equipo construyó circuitos especialmente diseñados hechos de resonadores de microondas, que son dispositivos que absorben radiación electromagnética solo a una frecuencia específica (aproximadamente la misma frecuencia que un horno de microondas). Estos resonadores de escala de centímetros actúan como los átomos dentro de un material real, permitiendo la construcción y prueba de una amplia gama de posibilidades de materiales.

"Desafortunadamente, Actualmente no es posible construir un material átomo por átomo, ya menudo es difícil encontrar materiales naturales con las propiedades que buscamos. En lugar de, construimos circuitos análogos de los cristales que se predijo que albergarían cargas fraccionarias. Usando este enfoque, podemos medir cómo estos circuitos absorben la radiación y usar eso para calcular cómo se comportarían los electrones en un cristal de estado sólido análogo, "Compartió el estudiante graduado de ingeniería eléctrica y autor principal Christopher Peterson.

Estudios teóricos anteriores habían sugerido que la medición de cargas fraccionarias es clave para identificar una nueva clase de materiales llamados aislantes topológicos de orden superior. pero no había forma de probarlo experimentalmente. Después de establecer un nuevo método para medir tales cargas fraccionarias, los investigadores también pudieron desarrollar y demostrar una nueva métrica para identificar la topología de orden superior.

Los aisladores topológicos han ganado fama recientemente por los robustos canales conductores en sus límites, que permanecen en perfectas condiciones incluso cuando el material tiene defectos. Esta robustez es muy atractiva ya que podría usarse para hacer que los dispositivos electrónicos y ópticos sean más eficientes, protegiendo la transmisión de electricidad u ondas electromagnéticas, a pesar de errores de fabricación o daños. Los aisladores topológicos de orden superior recién descubiertos se suman a esta historia al albergar canales conductores protegidos en las intersecciones de los límites, p.ej. en las esquinas en lugar de en los bordes, lo que puede ampliar enormemente las posibilidades de tecnologías robustas.

"El nuevo método de identificación que hemos demostrado podría permitir a los científicos identificar inequívocamente aislantes topológicos de cualquier orden, utilizando su firma de carga fraccionada. Por último, esto acerca la promesa de dispositivos más eficientes y robustos basados ​​en materiales topológicos cada vez más cerca de la realidad, "dijo el líder del equipo Gaurav Bahl.