在拓扑绝缘子中观察到分数电子电荷的特征

单个电子的电荷e被定义为电荷的基本单位。因为电子-带电的亚原子粒子-是基本粒子并且无法分裂，所以通常不会遇到电子电荷的一部分。尽管如此，伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的研究人员最近发现，在称为拓扑晶体绝缘体的奇异材料中，分数电荷的签名范围为e / 4至2e / 3。

自2017年以来，由机械科学与工程教授Gaurav Bahl和物理学教授Taylor Hughes领导的研究人员团队一直使用超高频电路研究拓扑绝缘子。他们最近对分数电荷的测量出现在本期期刊中科学，源于该团队在晶体绝缘体方面的理论工作。

休斯解释说：“鉴于电子是不可分割的，分数电荷甚至可能存在，这似乎很奇怪。但是当我们查看材料的总电荷时，我们正在考虑许多电子的贡献。这取决于电子电荷的方式它们排列在太空中，可以协同工作，留下局部的，急剧量化的电荷。”

可以承载分数电荷的材料的最简单示例是一维原子的链，该链在中间向下具有反射对称性。如果链中正离子的数量等于电子的数量，则一切看上去都是中性的。但是，如果数目不相等，例如，如果缺少一个电子，则丢失的负电荷被迫在链的两个对称侧之间平均分配，在每侧留下分数e / 2电荷。休斯说：“在我们正在研究的旋转对称材料中，分电荷可以以1 / 3、1 / 4或什至1/6的单位存在，”

为了通过实验寻找这些分数电荷的特征，研究小组构建了由微波谐振器制成的特殊设计的电路，该电路仅在特定频率(与微波炉的频率相同)下吸收电磁辐射。这些厘米级谐振器的作用类似于真实材料中的原子，从而能够构建和测试各种材料。

“不幸的是，目前不可能逐个原子地构建材料，而且通常很难找到具有我们所寻找性质的天然存在的材料。相反，我们构建了预测具有分数电荷的晶体的电路类似物。 “使用这种方法，我们可以测量这些电路如何吸收辐射，并使用它来计算电子在类似的固态晶体中的行为。”电气工程研究生和主要作者克里斯托弗·彼得森分享了这一观点。

先前的理论研究表明，分数电荷的测量是识别新型材料(称为高阶拓扑绝缘体)的关键，但是尚无方法对此进行实验测试。在建立了一种测量这种分数电荷的新方法之后，研究人员还能够开发和演示一种新的度量标准，以识别高阶拓扑。

拓扑绝缘子最近因其边界处的坚固导电通道而声名fa起，即使材料存在缺陷，其仍保持原始状态。这种鲁棒性非常诱人，因为尽管存在制造错误或损坏，它仍可以通过保护电或电磁波的传输而用于使电子和光学设备更高效。新发现的高阶拓扑绝缘子通过在边界的相交处(例如，在角处而不是在边缘处)托管受保护的导电通道，进一步增加了这种情况，这可以大大扩展强大技术的可能性。

“我们展示的这种新的识别方法可以使科学家们利用其分数电荷特征明确地识别任何顺序的拓扑绝缘子。最终，这使基于拓扑材料的更高效，更坚固的设备的希望越来越接近现实。”团队负责人Gaurav Bahl说。

这项工作是由美国国家科学基金会和海军研究办公室赞助的。该论文的作者还包括UIUC的物理学研究生Tianhe Li和宾夕法尼亚州立大学的博士后研究员Wladimir Benalcazar。

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