A la derecha, un corte de celda unitaria de la placa de circuito, que fue construido para demostrar el efecto de piel no hermitiana, se muestra. En un), se esboza el modelo teórico no hermitiano subyacente, que describe los acoplamientos entre nodos adyacentes. (b) representa un diagrama esquemático de la cadena de circuito completo con 20 celdas unitarias con condiciones de límite abiertas o periódicas (sin límite). (c) Esquema de circuito de la celda unitaria repetida periódicamente con dos nodos internos. Crédito:Lehrstuhl für Theoretische Physik I / Universität Würzburg
Los metamateriales topológicos se aplican como una plataforma novedosa para explorar y estudiar efectos extraordinarios. En lugar de utilizar materiales naturales, los investigadores organizan artificialmente los constituyentes de un metamaterial topológico en una estructura regular. Tal disposición es análoga a un estado sólido en el que los átomos forman una red cristalina. Generalmente, estas plataformas se utilizan para simular propiedades particulares de los sólidos con el fin de hacerlos aptos para la investigación experimental.
Físicos de la Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg en Baviera, Alemania, realizar investigaciones sobre esos metamateriales topológicos, un esquema central del Clúster de Excelencia de Würzburg-Dresden, ct.qmat.
Fenómenos topológicos novedosos
Un motivo relacionado de la investigación del estado sólido en Würzburg es el descubrimiento y caracterización de nuevos fenómenos topológicos. Se trata del estudio de aisladores topológicos, que son aislantes a granel, pero presentan estados de superficie conductores. Los científicos de todo el mundo participan en una investigación intensiva sobre estos materiales, ya que exhiben fenómenos físicos convincentes. Un día, esta investigación puede conducir a avances en la tecnología de semiconductores o en otros campos.
Los investigadores de JMU informan sobre sus resultados más recientes en la revista. Física de la naturaleza . Los aislantes topológicos generalmente se consideran sistemas aislados (hermitianos). A diferencia de, los científicos pueden modificar metamateriales topológicos para estudiar las implicaciones del intercambio de energía con el medio ambiente. Estas interacciones influyen en el comportamiento del sistema desde el exterior, como sería el caso de la fricción. De esta manera, ellos verificaron experimentalmente el efecto piel no hermitiano (NHSE) previamente predicho en teoría.
La celda unitaria del circuito contiene dos nodos donde se mide el voltaje. Se arregla periódicamente para parecerse a la estructura cristalina de un sólido. Crédito:Julius-Maximilians-Universität Würzburg, JMU
Todos los estados se localizan en el borde
El NHSE implica que, en contraste con un aislante topológico común, no solo una pequeña fracción, sino que todos los estados del material aparecen en su borde, es decir, están localizados allí. Esto es descrito por Tobias Helbig y Tobias Hofmann, los primeros autores conjuntos de la publicación. Ambos son Ph.D. estudiantes del grupo de investigación del profesor Ronny Thomale, jefe de la Cátedra JMU de Física Teórica I.
"Nuestra investigación muestra, entre otras cosas, que los principios físicos conocidos de los sistemas de estado sólido aislados deben modificarse fundamentalmente en el caso no hermitiano, ", explican los estudiantes de doctorado. Los nuevos hallazgos aún no tendrían una aplicación directa. Sin embargo, tienen el potencial de mejorar los detectores ópticos de alta sensibilidad, como ejemplo.
Los circuitos eléctricos como centro de innovación en investigación básica
Los experimentos que condujeron a los nuevos resultados se llevaron a cabo con el grupo del Dr. Tobias Kießling y la Cátedra de Física Experimental III de la JMU. El profesor Alexander Szameit de la Universidad de Rostock ha presentado contribuciones e ideas adicionales. Los físicos de JMU cooperan con el equipo de Szameit en el tema de la fotónica topológica dentro del grupo de excelencia ct.qmat.
Para demostrar experimentalmente el efecto de la piel no hermitiana, el equipo de JMU ha utilizado circuitos eléctricos con elementos dispuestos periódicamente. Debido a su parecido con la estructura cristalina de un sólido, tales escenarios experimentales dispuestos artificialmente se clasifican como metamaterial.
Se impone una alimentación de corriente en el lado izquierdo de un circuito con 20 celdas unitarias realizadas por una fuente de corriente externa. Independientemente de la ubicación de la excitación, la distribución de voltaje alcanza su punto máximo en el borde derecho y disminuye exponencialmente hacia la izquierda, lo que confirma la localización de todos los estados en el límite correcto. Crédito:Julius-Maximilians-Universität Würzburg, JMU
Aplicaciones de la materia topológica a la vista
Prospectivamente, el equipo de investigación quiere investigar más a fondo la interacción entre los estados topológicos y la física no hermitiana. Una pregunta clave será hasta qué punto la protección topológica de los estados permanece intacta cuando existen interacciones con el medio ambiente.
A largo plazo, el equipo tiene la intención de avanzar hacia circuitos híbridos cuánticos en los que planean incrustar elementos de circuitos superconductores u otros elementos mecánicos cuánticos. Estos circuitos ofrecen una plataforma versátil para el descubrimiento de fenómenos novedosos.
"Nuestro objetivo es transferir los conocimientos de los circuitos topológicos a otras plataformas de metamateriales en la búsqueda de aplicaciones potenciales, "Dice el profesor Thomale. Esto incluye configuraciones ópticas como guías de ondas fotónicas. Allí, Los estados topológicamente protegidos en sistemas no hermitianos podrían resultar relevantes en la mejora del procesamiento de señales y detectores, así como en la construcción de una computadora cuántica fotónica. Finalmente, el último esquema en la investigación sobre metamateriales topológicos es la reconexión de efectos novedosos a estados sólidos reales.
