研究人員證明存在新形式的電子物質

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】研究人員製造了一種「人類規模」的實驗，展示了一種新階段的物質，稱為四極拓撲絕緣子，最近通過理論物理學進行了預測。這些是驗證這一理論的第一個實驗結果。研究人員在《自然》雜誌上報道了他們的發現。該團隊與QTIs的合作源於對一種被稱為拓撲絕緣體的材料的性質的長達10年的理解。機械科學與工程教授兼高級研究員Gaurav Bahl說：這是內部和導體內部的電氣絕緣體，它們在幫助建造低功耗、強大的計算機和設備方面有著巨大的潛力，這些都是在原子尺度下定義的。這種不尋常的特性使它們成為電子物質的一種特殊形式。電子的集合可以在材料中形成它們自己的相。研究報告的合著者之一、物理學教授泰勒·休斯說:「這些都可以是像水一樣的固態、液態和氣態，但它們有時也會形成像TI這樣的不尋常的階段。

一個單一的電路板，前景，當與他人聯合形成四極拓撲絕緣體的實驗陣列。圖片版權：L. Brian Stauffer

在晶體材料和其他研究中，通常存在於自然形成的晶體中的鈦相，但仍有許多理論預測需要證實。一個這樣的預測是，有一種新型TI的存在，它有一個被稱為四極矩的電子特性。物理學研究生Wladimir Benalcazar說：電子是一種攜帶電荷的單粒子。發現晶體中的電子可以集體地排列起來，不僅是對偶極子的電荷，也就是正負電荷的配對，還有高階的多極子，其中4或8個電荷被組合成一個單位。這些高階類中最簡單的一種是四極，其中兩個正電荷和兩個負電荷耦合。現在不可能用原子來設計一個材料原子，更不用說控制電子的四極行為了。相反該團隊使用印製電路板製成的材料，構建了一個可工作的QTI模擬模型。每個電路板都有四個相同的諧振器的正方形，這些諧振器可以在特定的頻率下吸收電磁輻射。這些板子被排列成網格狀，以創建完整的晶體模擬。

第一作者，也是一名電子工程研究生凱特·彼得森說：每個諧振器的行為都像一個原子，它們之間的聯繫就像原子之間的鍵，我們將微波輻射應用到系統中，測量每個諧振器吸收了多少，這就告訴我們電子在類似的晶體中是如何運動的。一個諧振器吸收的微波輻射越多，就越有可能在相應的原子上找到一個電子。研究人員說，這些細節使得這一問題成為了QTI，而不是TI，這是由於共振器之間的連接的細節所造成的。QTI的邊緣不像典型的TI那樣導電，相反只有角是活動的，也就是邊緣的邊緣，類似於四極矩的四個局域點電荷。正如Taylor和Wladimir所預測的那樣。測量了在的QTI吸收的每個諧振器的微波輻射，證實了一個精確的頻率範圍內的共振態，並精確地定位在角落。

偶極矩可以由兩個電荷表示，一個正電荷和一個負電荷，在一個維度上分開，四極電荷可以由四個電荷在兩個維度上分開表示。圖片版權：Kitt Peterson

這指出了預測的受保護狀態的存在，它們將被電子填滿，形成四個角電荷。這一電子物質的新階段的轉角電荷可以存儲通訊和計算的數據。使用我們的『人類尺度』模型可能不太現實。然而當想到原子尺度上的QTIs時，對於執行計算和信息處理的設備來說，可能會出現巨大的可能性，甚至可能在我們今天所能達到的範圍內。研究人員表示，實驗和預測之間的協議提供了一個承諾，即科學家們已經開始了解QTIs的物理特性，足夠實用。作為理論物理學家，Wladimir和我可以預測這種新的物質形式的存在，但是到目前為止還沒有發現任何材料具有這些性質，與工程師合作幫助我們把預測變成現實。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Nature

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：伊利諾伊大學厄巴納 - 香檳分校

編譯：光量子

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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