Квантовая физика превратилась в осязаемую реальность

Физики ETH разработали кремниевую пластину, которая ведет себя как топологический изолятор при стимуляции ультразвуком. Таким образом, им удалось превратить абстрактную теоретическую концепцию в макроскопический продукт.

Обычная процедура выглядит так: у вас сложная физическая система и вы пытаетесь объяснить ее поведение с помощью как можно более простой модели. Себастьян Хубер, доцент Института теоретической физики, показал, что эта процедура также работает обратным образом: он разрабатывает макроскопические системы, которые проявляют те же свойства, которые предсказаны теорией, но которые еще не наблюдались на этом уровне.

Ему удалось создать иллюстративный пример два с половиной года назад. Вместе со своей командой он построил механическое устройство из 270 маятников, соединенных пружинами таким образом, что установка ведет себя как топологический изолятор*. Это означает, что маятник и пружины расположены так, что колебательное возбуждение снаружи только перемещает маятники по краям установки, но не те, которые находятся посередине.

Вибрация только в углах

Новый проект, который будет опубликован на этой неделе в журнале Nature, также сосредоточен на макроскопической системе. Однако на этот раз он не будет представлять большого механического устройства, а станет гораздо более удобным. Со своей командой Хубер создал кремниевую пластину размером 10 х 10 сантиметров, состоящую из 100 маленьких пластин, соединенных друг с другом через тонкие нити. Ключевым аспектом является то, что когда пластина стимулируется ультразвуком, вибрируют только пластины в углах; другие пластины остаются неподвижными, несмотря на их соединения.

  Магнитное поле Земли останется устойчивым

Хубер черпал вдохновение для нового материала из работы, опубликованной около года назад группами из Урбаны-Шампейн и Принстона; исследователи представили новый теоретический подход для топологического изолятора второго порядка. «В обычном топологическом изоляторе вибрации распространяются только по поверхности, но не внутри, — объясняет Хубер. «Явление уменьшается одним измерением». В случае установки маятника это означает, что двумерное расположение привело к одномерному вибрационному рисунку вдоль краев.

Однако в топологическом изоляторе второго порядка явление уменьшается на два измерения. Соответственно, с двумерной кремниевой пластиной вибрация больше не происходит вдоль краев, а только в углах, в нулевой размерной точке. «Мы первыми преуспели в экспериментальном создании прогнозируемого топологического изолятора более высокого порядка, — говорит Хубер.

Новая теоретическая концепция

Хубер снова создал то, что ведет себя точно так, как это предсказывает теория. Чтобы решить эту «обратную проблему», он использовал систематический процесс, который он разработал вместе с группой, возглавляемой Чиарой Дарайо, теперь профессором в Калтех, и которую он опубликовал на этой неделе в журнале Nature Materials.

Вообще говоря, Хубер показывает, как теоретически предсказанная функциональность может быть превращена в конкретную геометрию. «В нашем примере мы протестировали его с использованием механических вибраций, соединив элементы с четко определенными режимами вибрации с использованием слабых звеньев», — говорит Хубер. «Но этот процесс также можно перенести в другие приложения, например, в оптические или электрические системы».

  Могут ли гравитационные волны рассказать, как быстро расширяется наша Вселенная?

Расширение до третьего измерения

Хубер уже имеет четкие планы относительно того, как действовать: он хочет получить трехмерный топологический изолятор второго порядка, в котором вибрации могут передаваться одномерно. Недавно он получил грант от Европейского исследовательского совета (ERC) для этого проекта. Хубер объясняет основную идею: «Мы складываем ряд этих двумерных структур друг над другом, так что возникает трехмерная форма. В этой форме информация или энергия могут быть проведены из точки А в точку В через одномерный канал «.

Хубер может придумать несколько возможных приложений. Например, такие новые топологические изоляторы могут использоваться для создания надежных и точных волноводов для сетей связи. Они также могут быть полезны в энергетическом секторе, например, для сбора энергии, при котором энергия из диффузного окружающего источника ориентирована на технологическое использование.

Результаты эксперимента будут не только интересны исследователям материалов, но и физикам-теоретикам. «Ключевой вывод с теоретической точки зрения состоит в том, что некоторые топологические изоляторы второго порядка не могут быть математически описаны как диполь, как обычные топологические изоляторы, а как квадруполы, которые намного сложнее», — объясняет Хубер. «Тот факт, что мы смогли реализовать это экспериментально в макроскопической структуре в первый раз, является прорывом для теоретиков».

*

Источник: ab-news.ru

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться для отправки комментария.