La carga de un solo electrón, e, se define como la unidad básica de carga eléctrica. Debido a que los electrones, las partículas subatómicas que transportan electricidad, son partículas elementales y no pueden dividirse, normalmente no se encuentran fracciones de carga electrónica.A pesar de esto, los investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han observado recientemente la firma de cargas fraccionales que varían de e / 4 a 2e / 3 en materiales exóticos conocidos como aislantes cristalinos topológicos.
El equipo de investigadores, dirigido por el profesor de ciencias mecánicas e ingeniería Gaurav Bahl y el profesor de física Taylor Hughes, ha estado utilizando circuitos eléctricos de ultra alta frecuencia para estudiar los aisladores topológicos desde 2017. Su reciente medición de carga fraccional, que aparece en la edición actual deel periódico ciencia , proviene del trabajo teórico del equipo sobre aisladores cristalinos.
Hughes explica: "Puede parecer extraño que incluso existan cargas fraccionales, dado que los electrones son indivisibles. Pero cuando observamos la carga total de un material, consideramos las contribuciones de muchos electrones. Dependiendo de cómolos cargos se arreglan en el espacio, pueden cooperar para dejar una fracción de carga localizada y fuertemente cuantificada "
El ejemplo más simple de un material que puede albergar cargas fraccionarias es una cadena de átomos unidimensional con una simetría de reflexión en el medio. Si el número de iones positivos en la cadena es igual al número de electrones, todo parece carga neutralSin embargo, si los números no son iguales, por ejemplo, si falta un electrón, la carga negativa que falta se ve obligada a dividirse por igual entre los dos lados simétricos de la cadena, dejando una carga fraccional e / 2 en cada lado ".los materiales simétricos de rotación que estamos estudiando, las cargas fraccionales pueden existir en unidades de 1/3, 1/4 o incluso 1/6, dependiendo de la simetría subyacente ", dijo Hughes.
Para buscar la firma de estas cargas fraccionales experimentalmente, el equipo construyó circuitos especialmente diseñados hechos de resonadores de microondas, que son dispositivos que absorben la radiación electromagnética solo a una frecuencia específica aproximadamente la misma frecuencia que un horno de microondas.Los resonadores de escala actúan como los átomos dentro de un material real, permitiendo la construcción y prueba de una amplia gama de posibilidades de materiales
"Desafortunadamente, actualmente no es posible construir un átomo material por átomo, y a menudo es difícil encontrar materiales naturales con las propiedades que estamos buscando. En cambio, construimos análogos de circuito de los cristales que se predijo que albergaríancargas fraccionarias. Usando este enfoque, podemos medir cómo estos circuitos absorben la radiación y usar eso para calcular cómo se comportarían los electrones en un cristal análogo de estado sólido ", compartió el estudiante graduado de ingeniería eléctrica y autor principal Christopher Peterson.
Estudios teóricos previos habían sugerido que la medición de cargas fraccionales es clave para identificar una nueva clase de materiales llamados aislantes topológicos de orden superior, pero no había forma de probar esto experimentalmente. Después de establecer un nuevo método para medir tales cargas fraccionales,los investigadores también pudieron desarrollar y demostrar una nueva métrica para identificar topología de alto orden.
Los aislantes topológicos han ganado fama recientemente por los robustos canales conductores en sus límites, que permanecen en perfectas condiciones incluso cuando el material tiene defectos. Esta robustez es muy atractiva ya que podría usarse para hacer que los dispositivos electrónicos y ópticos sean más eficientes, al protegerla transmisión de electricidad u ondas electromagnéticas, a pesar de los errores o daños en la fabricación. Los aislantes topológicos de orden superior recientemente descubiertos se suman a esta historia al alojar canales conductores protegidos en las intersecciones de los límites, por ejemplo, en las esquinas en lugar de los bordes, que pueden expandirse considerablementelas posibilidades de tecnologías robustas
"El nuevo método de identificación que hemos demostrado podría permitir a los científicos identificar inequívocamente aisladores topológicos de cualquier orden, utilizando su firma de carga fraccional. En última instancia, esto trae la promesa de dispositivos más eficientes y robustos basados en materiales topológicos cada vez más cerca de la realidad", dijo el líder del equipo Gaurav Bahl.
El trabajo fue patrocinado por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. Y la Oficina de Investigación Naval. Los colaboradores del trabajo también incluyeron a Tianhe Li, un estudiante graduado de física en la UIUC, y Wladimir Benalcazar, un becario postdoctoral en la Universidad Estatal de Pensilvania.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Illinois Grainger College of Engineering . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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