研究人员证明存在新形式的电子物质

【博科园-科学科普（关注“博科园”看更多）】研究人员制造了一种“人类规模”的实验，展示了一种新阶段的物质，称为四极拓扑绝缘子，最近通过理论物理学进行了预测。这些是验证这一理论的第一个实验结果。研究人员在《自然》杂志上报道了他们的发现。该团队与QTIs的合作源于对一种被称为拓扑绝缘体的材料的性质的长达10年的理解。机械科学与工程教授兼高级研究员Gaurav Bahl说：这是内部和导体内部的电气绝缘体，它们在帮助建造低功耗、强大的计算机和设备方面有着巨大的潜力，这些都是在原子尺度下定义的。这种不寻常的特性使它们成为电子物质的一种特殊形式。电子的集合可以在材料中形成它们自己的相。研究报告的合著者之一、物理学教授泰勒·休斯说:“这些都可以是像水一样的固态、液态和气态，但它们有时也会形成像TI这样的不寻常的阶段。

一个单一的电路板，前景，当与他人联合形成四极拓扑绝缘体的实验阵列。图片版权：L. Brian Stauffer

在晶体材料和其他研究中，通常存在于自然形成的晶体中的钛相，但仍有许多理论预测需要证实。一个这样的预测是，有一种新型TI的存在，它有一个被称为四极矩的电子特性。物理学研究生Wladimir Benalcazar说：电子是一种携带电荷的单粒子。发现晶体中的电子可以集体地排列起来，不仅是对偶极子的电荷，也就是正负电荷的配对，还有高阶的多极子，其中4或8个电荷被组合成一个单位。这些高阶类中最简单的一种是四极，其中两个正电荷和两个负电荷耦合。现在不可能用原子来设计一个材料原子，更不用说控制电子的四极行为了。相反该团队使用印制电路板制成的材料，构建了一个可工作的QTI模拟模型。每个电路板都有四个相同的谐振器的正方形，这些谐振器可以在特定的频率下吸收电磁辐射。这些板子被排列成网格状，以创建完整的晶体模拟。

第一作者，也是一名电子工程研究生凯特·彼得森说：每个谐振器的行为都像一个原子，它们之间的联系就像原子之间的键，我们将微波辐射应用到系统中，测量每个谐振器吸收了多少，这就告诉我们电子在类似的晶体中是如何运动的。一个谐振器吸收的微波辐射越多，就越有可能在相应的原子上找到一个电子。研究人员说，这些细节使得这一问题成为了QTI，而不是TI，这是由于共振器之间的连接的细节所造成的。QTI的边缘不像典型的TI那样导电，相反只有角是活动的，也就是边缘的边缘，类似于四极矩的四个局域点电荷。正如Taylor和Wladimir所预测的那样。测量了在的QTI吸收的每个谐振器的微波辐射，证实了一个精确的频率范围内的共振态，并精确地定位在角落。

偶极矩可以由两个电荷表示，一个正电荷和一个负电荷，在一个维度上分开，四极电荷可以由四个电荷在两个维度上分开表示。图片版权：Kitt Peterson

这指出了预测的受保护状态的存在，它们将被电子填满，形成四个角电荷。这一电子物质的新阶段的转角电荷可以存储通讯和计算的数据。使用我们的‘人类尺度’模型可能不太现实。然而当想到原子尺度上的QTIs时，对于执行计算和信息处理的设备来说，可能会出现巨大的可能性，甚至可能在我们今天所能达到的范围内。研究人员表示，实验和预测之间的协议提供了一个承诺，即科学家们已经开始了解QTIs的物理特性，足够实用。作为理论物理学家，Wladimir和我可以预测这种新的物质形式的存在，但是到目前为止还没有发现任何材料具有这些性质，与工程师合作帮助我们把预测变成现实。

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参考：Nature

内容：经“博科园”判定符合今主流科学

来自：伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校

编译：光量子

审校：博科园

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