電子の四重極の振る舞いを制御する

研究者は新しい形態の電子物質の存在を実証

https://phys.org/news/2018-03-electronic.html

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単一の回路基板、前景は、他の回路基板と結合すると、四重極トポロジカル絶縁体の実験的配列を形成します。クレジット：L. Brian Stauffer

研究者たちは最近、理論物理学を使って予測された四重極トポロジカル絶縁体と呼ばれる物質の新しい段階の「人間スケール」のデモンストレーションを作りました。これらはこの理論を検証するための最初の実験的発見です。

研究者らは彼らの調査結果を雑誌Natureに報告しています。

QTIとのチームの仕事は、トポロジカル絶縁体と呼ばれる材料のクラスの特性に関する10年前の理解から生まれました。機械科学および工学の教授で上級研究員のGaurav Bahlは、「TIは、内部の電気絶縁体であり、境界に沿った導体であり、低電力で堅牢なコンピューターおよびデバイスの構築を支援する大きな可能性を秘めている」と述べた。。

TIの一般的でない特性はそれらを電子物質の特別な形にします。共著者で物理学教授のTaylor Hughes氏は、次のように述べています。

TIは通常結晶性物質中に存在し、他の研究では天然に存在する結晶中に存在するTI相が確認されているが、確認する必要がある理論的予測はまだたくさんある、とHughesは述べた。

そのような予測の1つは、四重極モーメントとして知られる電気的性質を持つ新しいタイプのTIの存在でした。物理学大学院生のウラジミール・ベナルカザル氏は、「電子は物質中に電荷を帯びた単一の粒子である」と述べた。「結晶中の電子は、双極子単位、つまり正電荷と負電荷のペアを生成するだけでなく、4つまたは8つの電荷が1つの単位にまとめられた高次の多重極を生成するように集合的に配置できることを見出した。これらの高次クラスの最も単純なメンバーは、2つの正電荷と2つの負電荷が結合している四重極です。」

電子の四重極の振る舞いを制御することはもちろんのこと、原子ごとに物質的な原子を設計することは現在実現可能ではありません。代わりに、チームは、プリント回路基板から作成された材料を使用して、実用的な規模のQTIのアナログを作成しました。各回路基板には、4つの同一の共振器（特定の周波数の電磁波を吸収する装置）が入っています。ボードは完全なクリスタルアナログを作成するためにグリッドパターンに配置されています。

研究者は新しい形態の電子物質の存在を実証

双極子モーメントは、1次元で区切られた1つの正と1つの負の2つの電荷で表すことができます。4極子モーメントは、2つの次元で区切られた4つの電荷で表すことができます。

「各共振器は原子として振る舞い、それらの間の接続は原子間の結合として振る舞います」と、主筆者で電気工学の大学院生であるKitt Petersonは述べました。「システムにマイクロ波放射を適用して、各共振器で吸収される量を測定します。これにより、電子が類似の結晶内でどのように振る舞うかがわかります。マイクロ波放射が共振器によって吸収されるほど、電子を見つける可能性が高くなります。対応する原子上で。」

これをTIではなくQTIにする詳細は、共振器間の接続の詳細の結果である、と研究者らは述べた。

「典型的なTIで見られるように、QTIの端は導電性ではありません。代わりに、角だけがアクティブになります。つまり、端の端は4つの局所的な点電荷に似ています。四重極モーメントとして知られているものを形成する。まさしくテイラーとウラジミールが予測したように。」

「QTI内の各共振器がどれだけの量のマイクロ波放射を吸収したかを測定し、正確な周波数範囲で正確にコーナーに位置する共振状態を確認しました」とPeterson氏は述べた。「これは、4つのコーナー電荷を形成するために電子によって満たされるであろう予測された保護状態の存在を示した。」

電子物質のこの新しい段階のそれらのコーナーチャージは、通信とコンピューティングのためにデータを格納することができるかもしれません。「これは、私たちの「人間スケール」のモデルでは現実的ではないようだ」とHughes氏は述べた。「しかし、私たちが原子スケールでQTIを考えるとき、おそらく私たちが達成することができる以下のスケールでさえも、計算と情報処理を実行する装置のための途方もない可能性が明らかになります。」

実験と予測の一致は、科学者がQTIの物理学を実用化に十分に理解し始めていることを約束するものであると研究者らは述べた。

「理論物理学者として、ウラジミールと私はこの新しい形態の物質の存在を予測することができたが、これまでこれらの性質を持つ物質は見つかっていない」とヒューズは言った。「エンジニアと協力することで、私たちの予測は現実のものになりました。」

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