Isolatsioonikristallide uus klass sisaldab kvantiseeritud elektrilisi multipole hetki

Anonim

Uurala Ülikooli Urbana-Champaigni ja Princetoni Ülikooli teadlased on ennustanud teoreetiliselt uut materjali isoleerimisetappide klassi kristallilistes materjalides, kus on kindlaks määratud, kus neid võib looduses leida, ning selles protsessis üldistatakse Berry faasi fundamentaalne kvantteooria tahke olekusüsteemid. Veelgi enam, need isolaatorid genereerivad elektrilisi quadrupole või octupole hetki, mida saab arvutada kvantiseerituna peaaegu väga spetsiifiliste elektriväljatena. Kvantifitseeritud vaatlusnäitajad on kondenseeritud ainete uurimise kullastandard, sest eksperimentaalsed tulemused, mis neid mõõdetavaid tulemusi mõõdavad, peavad põhimõtteliselt täpselt vastama teoreetilistele prognoosidele, jättes ilma kahtluseta isegi väga keerukates süsteemides.

Uuringus, mis on ülikooli üliõpilase Wladimir Benalcazari ja füüsika dotsent Taylor Hughes, kes on U. I ja I füüsika professor B. Andrei Berneviig, Printsetoni konjunktuurimaterjalide instituudi instituut, on avaldatud 7. juuli 2017. a väljaanne ajakirja Science.

Meeskonna töö algas kvadrupooli isolaatori tuvastamisega, kuid peagi sai selgeks, et sellel on sügavam mõju.

Benalcazar selgitab: "Üks uutest mudelitest, mida töö esitab, on kvantsitud elektriline kvadrupoolne hetk. See on isolaator, mis erineb kõigist varem tuntud topoloogilistest isolaatoritest. Sellel ei ole lõtv, madala energiaga pinnaseisundit - selliste süsteemide tunnusjooni, mis võib olla miks need süsteemid on nii kaua avastanud. "

"Kuid märkimisväärselt, " jätkab ta, "kuigi kvadrupooli isolaatori pinnad on lõhutud, ei ole nad tähtsusetud. Tegelikult moodustavad need alamdimensioonilise topoloogilise isolaatori faasi! Meie arvutused võivad ennustada, kui süsteemil on selline piirne topoloogiline Isolaatorid - kas pindadel, hingedel või nurkadel. Üllatavalt on see omadus kõige elementaarsemas vormis seotud kõrgemate elektriliste multipolaarsete hetkidega. "

Vanderbilt, King-Smithi, Resta, Martini, Ortizi, Marzari ja Souza 1990. ja 2000. aastate revolutsiooniline töö võimaldas määratleda kristalli dipoolset momenti Berry faasi konkreetse rakenduse kaudu - see on matemaatiline kogus, mis iseloomustab elektronlainefunktsioonide areng hammaskiirusel. See töö kujutas endast suurt edu meie mõistes topoloogilistest elektromagnetilistest nähtustest kristallilistes materjalides. See andis seose füüsilise koguse (dipoolse hetk) ja topoloogilise (marjafaasi) vahel. Hughesi ja Berneviigi sõnul algas praegune uurimus jõupingutusega, et üldistada dipoolse hetke teooria kõrgematele mitmeosalistele momentidele.

Hughes räägib: "Varasematel etappidel arutasid Andrei ja mina, et kristalliliste dipoolsete hetkede tööd pikendatakse kvadrupoolsete hetkedeni. Kuid selgub, et kui küsimus küsiti, tundus see matemaatilist lahendust mitte. multipole momendid elektronide kvantmehaanilises süsteemis on keeruline, kuna elektron, kvantmehaaniline osakese, on laine, mitte ainult osake, ja selle asukoht ruumis on ebakindel, arvestades, et dipoolse momendi juurde pääseb, mõõtes lihtsalt elektronide nihet, vektorikogus, quadrupole hetked on keerukamad. "

Et seda lahendada, pidid teadlased leidma uue teoreetilise raamistiku. Lisaks pidid nad ehitama mudeleid, millel oleksid õiged omadused, mille abil nad saaksid oma uut analüütilist tehnikat hinnata. Kuid tegelikult asjad juhtusid just vastupidises järjekorras: Hughes ja Berneviig laenavad Benalcazarit õige mudeli leidmisel, dipoolse isolaatori üldistatud kvantitatiivse dipoolse momendiga. Sealt läks terve teoreetilise raamistiku ehitamiseks terve aasta.

Olemasolevad matemaatilised tööriistad - tahkes olekus Berry faasid - suutsid elektroni positsiooni korraga lahendada ainult ühes suunas. Kuid neljapäeval, meeskonnal oli vaja kindlaks määrata oma positsioon kahes mõõtmes üheaegselt. Komplikatsioon tuleneb

Heisenbergi ebakindluse põhimõte, mis tavaliselt kinnitab, et te ei saa samal ajal mõõta nii elektroni positsiooni kui ka hoogu. Kuid uutes kvadrupoolsetes isolaatorites on tööl erinev kindlusetuspõhimõte, mis takistab elektroni positsiooni samaaegset mõõtmist nii X- kui ka Y-suunas. Selle tõttu ei suutnud autorid ruumiliselt lahendada elektronide asukohti olemasolevate teoreetiliste tööriistade abil.

"Me võime selle välja tõmmata ühel suunal, aga mitte teist, " meenutab Benalcazar. "Mõlema suuna saamiseks korraga lõime uue analüütilise paradigma, sisuliselt eraldades kvadrupoolse momendi dipoolide paariks."

Hughes lisab: "Alguses käisime kõik katsed, millest me teadsime, kuidas käituda mudelitel, mida me pakkusime, ja ei pidanud midagi ette võtma. Probleemiks on see, et kui kaks dipole on teineteise peal, siis nad teineteist tühistavad. Kvadrupoolil on vaja ruumilist lahutusvõimet, et kindlaks teha, kas dipoolid on tegelikult eraldatud. Lõppkokkuvõttes oli meil vaja uurida Berry faase ühe kihi sügavamal, matemaatiliselt rääkides. "

Selle teise dimensiooni ruumiliselt lahenduse leidmine on märkimisväärne teoreetiline läbimurre. Autorid on välja töötanud uue paradigma elektronide asukoha arvutamiseks, mis on Berry-faasi formulatsiooni pikendamine. Esiteks kasutavad nad tavapärast tehnoloogiat, et teoreetiliselt jagada elektronlaine kahe tühimikuga ruumis eralduvaks. Siis nad näitavad, et igal pilvel on dipoolne hetk. See kaheastmeline, pesastatud protseduur võib paljastada kahte ruumiliselt eraldatud vastandatud dipooli - kvadrupooli.

Berneviigi märkused: "Topoloogilisi isolaatoreid, millega oleme viimase kümne aasta jooksul harjunud, kirjeldatakse peamiselt matemaatilise meetodiga, mida nimetatakse mõne elektroonilise oleku Berry faasi võtmiseks. süsteemi serv - see võib teile öelda, mis on serva huvitav.

Et minna ühe sammu kaugemale ja lahendada, mis võib potentsiaalselt märkimisväärne süsteemi või näidise nurgas, peate tegema Berry faasi Berry faasi. See toob kaasa uue topoloogilise koguse, mis kirjeldab kvantitatiivset kvadrupooli hetke.

Viimasel kümnendil on materjalide topoloogiliste etappide klassifitseerimine oluliselt arenenud. Oluline on, et see uus töö näitab veel välja uuritud rikkust valdkonnas. See ennustab täiesti uut etappide klassi ning pakub mudeli ja teoreetilisi vahendeid selle olemasolu kontrollimiseks. Võimalik, et topoloogiliste isolaatorite valdkonnas on üks kõige põnevamaid aspekte nende eksperimentaalsest tähendusest. Ajakirjaartiklis esitatakse meeskond kolme ennustuse kinnitamiseks eksperimentaalset seadistust.

Hughes tõdeb, et kõige kergemini kättesaadav on kvantifunktsiooniline simulatsioon - eksperimentaalne tehnika, mis kasutab näiteks peene häälestatud lasereid ja ultrahelituid aate reaalsete materjalide omaduste kopeerimiseks ja uurimiseks.

"On põnev, et praeguse eksperimentaalse tehnoloogia abil saab meie mudelit otsekohe uurida, " kinnitab Hughes. "Me loodame, et me või keegi teine ​​leiab lõpuks sellise elektroonilise, tahkis-materjali, millel on sellised omadused. Aga see on keeruline, meil pole veel keemilist valemit."

Autorid osutavad, et selle mõju saavutamise tingimused on üsna üldised ja paljudes materjaliklassides on paljudes potentsiaalsetes kandidaatides.

"Või realiseerimine võiks ühel päeval tulla vasakpoolsest väljapoole, mõnest muust täiesti geniaalsest rakendusmõttest, mille keegi võiks välja kujundada, " ütleb Berneviig.

Bensalcazar on veendunud, et "see uus arusaam võib avada terve kogum materjali, millel on see hierarhiline liigitus."

See on fundamentaaluuring, mis tahes potentsiaalsed rakendused on siiani kahtlustuseks. Kuna kvantitatiivsed vaatlejad võimaldavad peenelt täpseid mõõtmisi, on mõeldav, et selle uue ainefaasi uudsed elektriomadused on kasulikud metroloogia, elektrooniliste tehnoloogiate või projekteeritud materjalide puhul, mis vastavad ettenähtud puiste / pinna / serva / nurga omadustele.

Autorid leiavad, et see töö avab paljude võimaluste uute topoloogiliste süsteemide jaoks, mis varjutasid varem varjatud Berry-faasi matemaatika pandud struktuuri. Neil peidetud topoloogilistel etappidel on terav seos tegelike füüsiliste jälgitavatega ja nendes materjalides võivad esineda ka muud füüsikalised nähtused, mida oleks huvitav uurida.

menu
menu