Наука для всех простыми словами

Самый лучший сайт c познавательной информацией.

Физики впервые фононный квадрупольный топологический изолятор изготовили.

17.01.2018 в 14:28

Физики из США и Швейцарии впервые изготовили метаматериал, который обладает свойствами фононного квадрупольного топологического изолятора, и исследовали его свойства. Статья в Nature опубликована.

Обычные изоляторы могут обладать электрическим дипольным моментом (например, если они находятся во внешнем электрическом поле. Такой момент не влияет на электрические заряды в объеме изолятора, но заставляет перераспределяться заряды на его поверхности
. В некоторых случаях это приводит к тому, что поверхностный слой материала начинает проводить электричество, то есть изолятор становится топологическим. Современная теория топологических изоляторов существенным образом опирается на тот факт, что дипольный момент выражается через фазу Берри - из-за этого он может меняться только дискретно, то есть квантуется. Фаза Берри - это фаза, которая набегает в квантовой системе при медленном циклическом изменении некоторого внешнего параметра. Например, в эффекте Ааронова - бома этим параметром выступает магнитное поле.
Для электрически нейтральных систем дипольный момент теряет свое значение, однако с помощью фазы Берри можно описать вещества, аналогичные "Обычным" топологическим изоляторам. Например, были экспериментально получены материалы, в которых подобными свойствами обладали не электроны, а фотоны или фононы. С помощью теории топологических изоляторов можно предсказывать эффекты, связанные с зонной структурой подобных материалов, например, возникновение стабильных поверхностных колебаний.
С другой стороны, идеи, лежащие в основе теории топологических изоляторов, можно обобщить другим образом и перейти от дипольных моментов к квадрупольным (или даже к моментам более высоких порядков. В этом случае нужно учитывать не только поверхностные заряды, но и "Угловые", возникающие в точках пересечения поверхностей. В самом деле, совсем недавно такая теория была разработана. Тем не менее, экспериментально квадрупольные топологические изоляторы еще никто не изучал.
Группа ученых под руководством марка Серра - Гарсиа (Marc Serra - Garcia) и валерио пери (Valerio Peri) впервые изготовила квадрупольный фононный топологический изолятор на основе метаматериала и исследовала его свойства. Для этого они соединили друг с другом кремниевые пластинки размером 5 x 5 x 0, 364 миллиметра, механические колебания которых описываются полем смещений. Связи между пластинками имели разную жесткость, что отвечало разным вероятностям туннелирования (Hopping) фононов и позволяло смоделировать квадрупольный момент структуры. Всего в образец входило сто пластинок.

Затем ученые возбуждали колебания пластинок с помощью ультразвукового преобразователя (Ultrasound air Transducer. Прибор имел диаметр пять миллиметров и располагался достаточно близко к поверхности метаматериала, чтобы действовать только на одну пластинку. Амплитуду колебаний пластинки исследователи с помощью лазерного интерферометра измеряли. Наконец, ученые применили к полученной спектральной картине несколько фильтров, чтобы выделить вклады объемной, поверхностной и "Угловой" частей системы.
В топологически тривиальном случае (вероятность туннелирования фононов внутри ячейки выше, чем между ячейками) система поглощала энергию , внимание, только в двух диапазонах частот, причем вклады от различных частей возникали на одних и тех же частотах и уменьшались с "Размерностью". Другими словами, вклад объемной части был больше, чем вклады поверхностной и угловой частей. При этом теоретически предсказанная и экспериментально измеренная ширина диапазонов в целом совпали. С другой стороны, в топологически нетривиальном случае вклад угловых ячеек оказался мы сравним с вкладом ячеек из объема и располагался посередине "Запрещенной Зоны", то есть между допустимыми в топологически тривиальном случае диапазонами энергии.

В декабре прошлого года группа ученых из США и Китая впервые изготовила двумерный топологический экситонный изолятор, используя "Сцепление" электронов и дырок из соседних слоев структуры.