Uusia topologisia ilmiöitä

Äskettäin havaittiin, että sellaisissa 2D-materiaaleissa, kuten heksagonaalinen boorinitridi (hBN), jotka ovat vähemmän symmetrisiä kuin grafeeni, ilmenee ferrosähköisyyttä, kun yksi kerros liukuu toisen päälle ja rikkoo symmetrian.

Kun 2D-materiaaleja kierretään suhteessa toisiinsa, ne muodostavat interferenssikuvion, joka tunnetaan nimellä moiré superhila, joka voi muuttaa rakenteen fysikaalisia ominaisuuksia radikaalisti. Kun hBN:tä ja vastaavia materiaaleja kierretään, eri pinoamisalueet polarisoituvat, mikä johtaa säännölliseen polaaristen alueiden verkostoon, jonka myös on osoitettu johtavan ferrosähköisyyteen.

Uusimmassa tutkimuksessa Cambridgen Cavendish Laboratoryn ja Liègen yliopiston tutkijat ovat havainneet, että näissä polaarialueissa on muutakin: ne ovat luonnostaan topologisia ja muodostavat objekteja, jotka tunnetaan meroneina ja antimeroneina.

"Kierrettyjen järjestelmien polarisaatio osoittaa tason ulkopuoliseen suuntaan, eli kerroksiin nähden pystysuoraan", sanoi ensimmäinen kirjoittaja tri Daniel Bennett.

"Havaitsimme, että liukumisen tai kiertymisen aiheuttama symmetrian rikkoutuminen johtaa myös tason sisäiseen polarisaatioon, joka on samanlainen kuin tason ulkopuolinen polarisaatio. Tason sisäinen polarisaatio muodostaa kauniin vektorikentän ja sen muodon määrää kokonaan kerrosten symmetria."

Tason sisäisen polarisaation löytö osoittaa, että kierrettyjen 2D-järjestelmien sähköiset ominaisuudet ovat paljon monimutkaisempia kuin aiemmin on ajateltu. Vielä tärkeämpää on, että yhdistämällä polarisaation sekä tason sisäiset että tason ulkopuoliset osat, tiimi keksi, että näiden kierrettyjen kaksoiskerrosten polarisaatio on topologisesti ei-triviaali.

"Jokaisella alueella polarisaatiokenttä kiertyy puoli kierrosta muodostaen topologisen objektin, joka tunnetaan nimellä meron (puoli skyrmion), sanoo tohtori Robert-Jan Slager. "Kierretyn kerroksen läpi muodostuu vankka meronien ja antimeronien verkosto."

"Fysiikassa useimmat asiat voidaan ymmärtää energialla", sanoo Bennett.

Topologisia faaseja ja topologisia ominaisuuksia eivät kuitenkaan määritä minimaalinen energia, vaan järjestelmän erilaiset symmetriat. Järjestelmän fysikaaliset ominaisuudet, kuten sen sähkö- tai magneettikentät, voivat muodostaa monimutkaisia rakenteita, jotka kiertyvät tai sitovat itsensä solmuihin, koska ne ovat symmetrian pakottamia.

"Näiden solmujen purkamisen energiakustannukset ovat erittäin korkeat, joten nämä rakenteet ovat lopulta melko kestäviä", Slager sanoo. "Mahdollisuus luoda, tuhota ja hallita näitä topologisia objekteja on erittäin houkuttelevaa esimerkiksi topologisen kvanttilaskennan alalla."

Tätä varten tutkijoiden tulevaisuuden tavoitteina on kehittää parempi ymmärrys topologisesta polarisaatiosta sekä kehittää konseptitodistus laitteelle, jossa heidän löytämiään polaarisia meroneja/antitimeroneja voidaan hallita tai johtaa jännittäviin uusiin fysikaalisiin ilmiöihin.

Aiheesta aiemmin:

Erittäin viritettäviä komposiittimateriaaleja