研究人员们已经开展了一个“人体尺度”的演示，即最近使用理论物理学预测的一种称为四极拓扑绝缘体(QTI)的新物质形态。这是验证这一理论的第一个实验结果。
研究人员在“Nature”杂志上发表了他们的发现（“A quantized microwave quadrupole insulator with topologically protected corner states”）。
一个单一的电路板的近景照片，当与其他电路板联合时形成四极拓扑绝缘体的实验阵列。图片来源：L. Brian Stauffer
该团队对QTI的研究源于对一类被称为拓扑绝缘体（TI）的材料性质的十多年的了解。“TI是内部的电绝缘体和沿其边界的导体，并且可能在帮助构建低功率、强大的计算机和器件方面发挥巨大的潜力，所有这些器件都是在原子级的定义。”机械科学与工程教授兼高级研究员Gaurav Bahl说到。
TI的不寻常的属性使其成为电子物质的一种特殊形式。本论文的共同作者兼物理学教授Taylor Hughes说：“电子收集可以在材料内部形成自己的相，这些相可以是熟悉的固相、液相和气相，比如水，但它们有时也可以形成像TI这种更不寻常的相。”
TIs通常存在于晶体材料中，其他研究证实TI相存在于天然晶体中，但仍有许多理论预测需要证实，Hughes说。
一种预测认为，存在一种具有被称为四极矩的电特性的新型TI。“物理学研究生Wladimir Benalcazar说：”电子是一种物质中携带电荷的粒子。“我们发现晶体中的电子可以共同排列，这种共同排列不仅可以引起偶极子单元的充电 - 即正负电荷的配对 - 而且可以产生高阶多极，在所述高阶多极中四阶或八阶电荷组合成一个单元。这些高阶的单元中最简单的一类是四极，其中两个正电荷和两个负电荷耦合。”
偶极矩可以用两个电荷来表示，一个正电荷和一个负电荷，在一个维度上分开，四极矩可以由四个电荷在两维中分开来表示，八极矩类似 图片来源：Kitt Peterson
目前尚不可能逐个原子地设计出一种材料，更不用说控制电子的四极行为。相反，该团队使用印刷电路板创建的材料构建了可操作的QTI对等物。每块电路板上装有四个相同谐振器的四方块 – 谐振器是吸收特定频率电磁辐射的装置。这些电路板以网格模式排列以创建完整的晶体对等物。
“每个谐振器都像一个原子一样运作，它们之间的联系表现为原子之间的联系，”本论文的第一作者、电气工程研究生Kitt Peterson说到。“我们将微波辐射应用到系统中，并测量每个谐振器的吸收量，从而告诉我们电子在类似晶体中的行为。微波辐射被谐振器吸收的越多，在相应的原子上找到电子的可能性就越大”。
研究人员说，谐振器之间的连接特性使得这个结构成为QTI而不是TI。
Bahl表示：“QTI的边缘不像你在典型的TI中看到的那样是导电的，而是只有边角是导电的，即边缘的边角，并且类似于四个局部点电荷形成所谓的四极矩，正如Taylor和Wladimir所预言的那样。“
“我们测量了QTI内每个谐振器吸收的微波辐射量，确定了精确频率范围内的谐振状态，并精确定位在角落内，”Peterson说。“这表明预计绝缘状态的位置将被电子填满，形成四个角落电荷。”
这个新的电子物质形态的角落电荷可能能够存储用于通信和计算的数据。“使用我们的'人类尺度'模型可能不太现实，”Hughes说到。“但是，当我们在原子尺度上考虑QTI时，对于执行计算和信息处理的器件来说，巨大的可能性会变得很明显，甚至可能低于我们今天可以达到的尺度。”
研究人员们表示，实验和预测之间的一致使得科学家们开始很好地理解QTI的物理特性，以供实际使用。
“作为理论物理学家，Wladimir和我可以预测这种新的物质形态的存在，但迄今为止还没有发现物质本身具有这些性质，”Hughes说。“与工程师合作帮助我们将预测变为现实。”
资料来源：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校提供的材料。 注意：可以根据样式和长度编辑内容。
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