Nowa klasa kryształów izolujących zawiera skwantowane elektryczne momenty wielopunktowe

Agresywna Masa ft. Chwytak - "KURCZAK, RYŻ I KREATYNA" (Official video) (Czerwiec 2019).

Anonim

Naukowcy z University of Illinois w Urbana-Champaign i Princeton University teoretycznie przewidzieli nową klasę izolacji faz materii w materiałach krystalicznych, z dokładnym określeniem miejsca ich występowania w przyrodzie, a także w procesie uogólnienia podstawowej teorii kwantowej faz Berry. systemy półprzewodnikowe. Co więcej, te izolatory wytwarzają elektryczne kwadrupolowe lub oktogonowe momenty, które można z grubsza określić jako bardzo specyficzne pola elektryczne, które są kwantyzowane. Kwantyzowane obserwowalne są złotym standardem w badaniach nad materią skondensowaną, ponieważ wyniki eksperymentalne mierzące te obserwowalne muszą w zasadzie dokładnie odpowiadać przewidywaniom teoretycznym - nie pozostawiając wątpliwości, nawet w wysoce złożonych układach.

Badania, które są połączeniem wysiłków absolwenta Wladimira Benalcazara i docenta fizyki Taylora Hughesa z Instytutu Teorii Materii Skondensowanej w U. I. i profesora fizyki B. Andrei Berneviga z Princeton, są opublikowane w 7 lipca 2017 numer czasopisma Science.

Prace zespołu rozpoczęto od zidentyfikowania kwadrupolowego izolatora, ale wkrótce stało się jasne, że istnieją głębsze implikacje.

Benalcazar wyjaśnia: "Jeden z nowych modeli przedstawionych w pracy ma skwantyzowany elektryczny kwadrupolowy moment.Jest to izolator, w przeciwieństwie do wszystkich znanych wcześniej izolatorów topologicznych.Jest on pozbawiony pozbawionych szczelin, niskoenergetycznych stanów powierzchniowych - cech charakterystycznych takich systemów - które mogą być dlaczego te systemy tak długo unikały odkryć. "

"Ale, co ciekawe, " kontynuuje, "nawet jeśli powierzchnie kwadrupolowego izolatora są zatkane, nie są one nieznaczące, w rzeczywistości tworzą one niższą wymiarową fazę izolatora topologicznego! Nasze obliczenia mogą przewidzieć, kiedy system będzie przechodził takie graniczne topologiczne izolatory - czy to na powierzchniach, na zawiasach, czy na rogach … Co zaskakujące, ta właściwość w swojej najbardziej podstawowej postaci związana jest z wyższymi momentami elektrycznymi wielopunktowymi. "

Rewolucyjna praca w latach 1990 i 2000 przez Vanderbilt, King-Smith, Resta, Martin, Ortiz, Marzari i Souza, umożliwiła określenie momentu dipolowego kryształu poprzez szczególne zastosowanie fazy Berry - ilości matematycznej, która charakteryzuje ewolucja funkcji fal elektronowych w przestrzeni pędu sieci. Prace te stanowiły ogromny postęp w naszej wiedzy na temat topologicznych zjawisk elektromagnetycznych w materiałach krystalicznych. Zapewniało połączenie pomiędzy wielkością fizyczną (moment dipolowy) a topologicznym (faza Berry). Według Hughesa i Berneviga, obecne badania rozpoczęły się jako próba uogólnienia teorii momentów dipolowych na wyższe momenty multipolowe.

Hughes wspomina: "Na najwcześniejszych etapach, Andrei i ja dyskutowaliśmy nad pomysłem rozszerzenia pracy o krystaliczne momenty dipolowe na momenty kwadrupolowe, ale okazało się, że podczas gdy pytanie to wydawało się dość oczywiste, po zadaniu, rozwiązanie matematyczne nie było. Wielowymiarowe momenty w kwantowym mechanizmie elektronów stanowią wyzwanie, ponieważ elektron, cząstka kwantowa, jest falą, a nie tylko cząstką, a jej położenie w przestrzeni jest niepewne, podczas gdy moment dipolowy można uzyskać, mierząc jedynie przesunięcie elektronowe., ilość wektorowa, momenty kwadrupolowe są trudniejsze. "

Aby rozwiązać ten problem, naukowcy musieli wymyślić nowe ramy teoretyczne. Ponadto musieli zbudować modele o właściwych właściwościach, dzięki którym mogliby porównać ich nową technikę analityczną. Ale tak naprawdę wszystko działo się w dokładnie odwrotnej kolejności: Hughes i Bernevig przyznali kredyt Benalcazarowi za znalezienie właściwego modelu, uogólnienie dipolowego izolatora ze skwantowanym momentem dipolowym. Od tego czasu zajęło to cały rok, aby zbudować pełne ramy teoretyczne.

Istniejące narzędzia matematyczne - półprzewodnikowe fazy Berry - mogły jedynie ustabilizować położenie elektronu w jednym kierunku na raz. Jednak w przypadku kwadrupola zespół musiał określić swoją pozycję w dwóch wymiarach jednocześnie. Komplikacja wynika z

Zasada nieoznaczoności Heisenberga, która zwykle stwierdza, że ​​nie można mierzyć jednocześnie pozycji i pędu elektronu. Jednak w nowych kwadrupolowych izolatorach działa inna zasada nieoznaczoności, uniemożliwiająca równoczesny pomiar pozycji elektronu zarówno w kierunkach X, jak i Y. Z tego powodu autorzy nie mogli przestrzennie rozróżnić lokalizacji elektronów za pomocą istniejących narzędzi teoretycznych.

"Moglibyśmy go przypiąć w jednym kierunku, ale nie w innym" - wspomina Benalcazar. "Aby uzyskać jednocześnie oba kierunki, stworzyliśmy nowy analityczny paradygmat, zasadniczo poprzez rozdzielenie momentu kwadrupolowego na parę dipoli."

Hughes dodaje: "Na początku przeprowadziliśmy każdy test, który znaliśmy, jak korzystać z proponowanych przez nas modeli, i ciągle dochodziło do niczego. Problem polega na tym, że gdy dwa dipole są na sobie wzajemnie, anulują się nawzajem. kwadrupol potrzebujesz rozdzielczości przestrzennej, aby ustalić, czy dipole są rzeczywiście oddzielne, ale ostatecznie okazało się, że musimy przyjrzeć się fazom Berry o jedną warstwę głębiej, matematycznie.

Znalezienie sposobu przestrzennego rozwiązania tego drugiego wymiaru stanowi znaczący teoretyczny przełom. Autorzy opracowali nowy paradygmat do obliczania położenia elektronów, który jest rozszerzeniem formulacji w fazie Berry. Najpierw używają konwencjonalnej techniki teoretycznego podziału fali elektronowej na dwie chmury ładunku, rozdzielone w przestrzeni. Następnie pokazują, że każda chmura ma moment dipolowy. Ta dwuetapowa, zagnieżdżona procedura może ujawnić dwa odseparowane przestrzennie, przeciwstawne dipole - kwadrupol.

Bernevig zauważa: "Topologiczni izolatory, do których przyzwyczailiśmy się w ostatniej dekadzie, są zasadniczo opisani za pomocą matematycznej procedury zwanej etapem Berry niektórych stanów elektronicznych. krawędź systemu - może ci powiedzieć, co jest interesujące na krawędzi.

Aby wyjść o krok dalej i rozwiązać problem potencjalnie niezwykły w rogu systemu lub próbki, musisz wziąć w efekcie fazę Berry fazy Berry. Prowadzi to do sformułowania nowej ilości topologicznej, która opisuje kwantowany moment kwadrupolowy. "

W ostatniej dekadzie znacznie rozwinięto klasyfikację topologicznych faz materii. Co istotne, ta nowa praca pokazuje jeszcze niezbadane bogactwo pola. Przewiduje całkowicie nową klasę faz i dostarcza model i teoretyczne środki do testowania swojego istnienia. Być może jednym z najbardziej ekscytujących aspektów w dziedzinie izolatorów topologicznych jest ich przydatność eksperymentalna. W artykule z czasopisma zespół sugeruje trzy możliwe konfiguracje eksperymentalne do sprawdzenia ich prognozy.

Hughes przyznaje, że symulacja kwantowa - technika eksperymentalna, która na przykład wykorzystuje precyzyjnie dostrojone lasery i ultrazimne atomy do replikowania i sondowania właściwości rzeczywistych materiałów - byłaby najbardziej dostępna.

"To ekscytujące, że korzystając z obecnej technologii eksperymentalnej, nasz model można od razu zobaczyć" - zapewnia Hughes. "Mamy nadzieję, że my lub ktoś inny znajdzie w końcu materiał w postaci półprzewodnikowej z takimi cechami, ale to trudne, nie mamy jeszcze wzoru chemicznego".

Autorzy wskazują, że warunki uzyskania tego efektu są dość ogólne i jako takie istnieje wiele potencjalnych kandydatów w wielu klasach materiałów.

"Albo może pewnego dnia urzeczywistni się realizacja z lewego pola, z jakiejś zupełnie genialnej idei wdrożenia, którą ktoś może wymyślić" - żartuje Bernevig.

Benzalcazar jest przekonany, że "to nowe rozumienie może otworzyć całą kolekcję materiałów, które mają taką hierarchiczną klasyfikację".

To są fundamentalne badania, a wszelkie potencjalne zastosowania są nadal odległą kwestią przypuszczeń. Ponieważ skwantyzowane obserwowalne pozwalają na nadzwyczaj precyzyjne pomiary, można sobie wyobrazić, że nowe właściwości elektryczne tej nowej fazy materii będą przydatne w metrologii, technologiach elektronicznych lub w projektowaniu materiałów o zalecanych właściwościach masy / powierzchni / krawędzi / naroża.

Autorzy zgadzają się, że ta praca otwiera wiele możliwości dla nowych systemów topologicznych, które były wcześniej ukryte - ukryte w zagnieżdżonej strukturze matematyki fazy Berry. Te ukryte fazy topologiczne mają ostry związek z rzeczywistymi obserwacjami fizycznymi - i mogą być inne zjawiska fizyczne w tych materiałach, które byłyby interesujące do zbadania.

menu
menu