Kiraalinen kvanttitila topologisessa materiaalissa

Kiraalisuus – kappaleen ominaisuus, joka eroaa peilikuvastaan – on jo pitkään kiehtonut tiedemiehiä biologiassa, kemiassa ja fysiikassa. Ilmiötä kutsutaan joskus "kätisyydeksi", koska se viittaa kappaleen selkeään vasen- tai oikeakätiseen muotoon.

Princetonin yliopiston tutkijat ovat nyt löytäneet piilevän kiraalisen kvanttitilan materiaalista, jota aiemmin pidettiin ei-kiraalisena. Löydös valaisee fyysikkojen yhteisössä käytyä kiivasta keskustelua ja laajentaa ymmärrystämme siitä, mikä on mahdollista kvanttimaailmassa.

Äskettäin julkaistussa tutkimuksessa Princetonin yliopiston professorin M. Zahid Hasanin johtama tutkimusryhmä paljasti topologisen kagomehilan KV₃Sb₅ materiaalin varaustiheysaallon taustalla olevat pitkään tavoitellut rikotut symmetriat.

Heidän löydöksensä auttavat ratkaisemaan pitkään keskustellun kiistan siitä, voivatko tällaiset materiaalit spontaanisti rikkoa symmetrian muodostaen kiraalisia kvanttitiloja – löytö, joka voisi tasoittaa tietä uusille kvanttiteknologioille.

Tutkijat ovat havainneet samanlaisen ilmiön ei-topologisissa järjestelmissä, mutta tämä on ensimmäinen kerta, kun tällainen kiraalinen symmetria on rikottu topologisessa kvanttimateriaalissa.

Hasan iloitsee. "Pystymme vihdoin ratkaisemaan hienovaraisia kvantti-ilmiöitä, jotka olivat pysyneet piilossa topologisessa kvanttimateriaalissa."

Tutkimustekniikka vaatii oman kehittelynsä mutta "Mittauksemme osoittavat suoraan rikkoutuneen inversion ja peilisymmetrian ja valaisevat tämän kvanttimateriaalin topologista luonnetta, jolla on varausjärjestys", Cheng sanoi. "Tämä vahvistaa ensimmäistä kertaa lopullisesti varausjärjestyneen tilan luontaisen kiraalisen luonteen topologisessa materiaalissa."

Tästä huolimatta ilmiölle ei ole vielä löydetty selitystä. "Vahvistimme ilmiön, mutta meillä ei ole vielä tarkkaa teoriaa siitä, miksi se tapahtuu", Hasan lisäsi.

Vaikutukset ulottuvat kuitenkin perustieteen ulkopuolelle. Hasanin mukaan kiraaliset kvanttitilat voisivat jonain päivänä antaa voimaa uusille optoelektronisille ja aurinkosähköteknologioille.

Perinteisempien materiaalien tasolla professori Jing Ding Westlaken yliopistosta Kiinasta ja kollegat ovat osoittaneet sähkökentän aiheuttaman kiraalisuuden vaihdon käyttämällä uutta Chern-eristeen luokkaa, joka perustuu grafeenikerrosten romboederiseen pinoamiseen.

Saavuttamalla tällaisen in situ -hallinnan materiaalin topologisille ominaisuuksille, tutkijat korostavat romboedri-grafeenialustan monipuolisuutta ja tasoittavat tietä monimutkaisemmille topologisille piireille.

Tiimin saavutus on virstanpylväs topologisten reunatilojen ominaisuuksien aktiivisessa hallinnassa. Toisin kuin aiemmin käytetyt magneettisen dopingin tai kierrekulmatekniikan tekniikat, sähkökentän viritys tarjoaa nopean, palautuvan ja energiatehokkaan ohjauskahvan kiraalisuuteen.

Toistaiseksi Ding ja kollegat ovat osoittaneet, että Chern-eriseen kiraalisuus ei ole vain kiinteä etiketti - se voidaan kääntää päälaelleen hilajännitteen kierteellä.

Aiheesta aiemmin:

Pyörivä valo voisi tehostaa seuraavan sukupolven elektroniikkaa

Logiikkaa optiselle laskennalle

Topologisen tilan kytkentä päälle ja pois