Зарядът на единичен електрон, e, се определя като основна единица електрически заряд. Тъй като електроните - субатомните частици, които носят електричество - са елементарни частици и не могат да се разделят, фракции от електронен заряд обикновено не се срещат. Въпреки това изследователите от Университета на Илинойс в Урбана-Шампайн наскоро наблюдават подписването на дробни заряди, вариращи от e/4 до 2e/3 в екзотични материали, известни като топологични кристални изолатори.

заряд

Екипът от изследователи, водени от професора по механични науки и инженерство Гаурав Бал и професора по физика Тейлър Хюз, използва ултрависокочестотни електрически вериги за изследване на топологични изолатори от 2017 г. Неотдавнашното им измерване на дробния заряд, публикувано в текущия брой на списанието Науката произтича от теоретичната работа на екипа върху кристалните изолатори.

Хюз обяснява: "Може да изглежда странно, че дори могат да съществуват дробни заряди, като се има предвид, че електроните са неделими. Но когато разглеждаме общия заряд на даден материал, ние разглеждаме приноса на много електрони. В зависимост от това как са електронните заряди подредени в пространството, те могат да си сътрудничат, за да оставят след себе си локализирана и рязко квантована част от заряда. "

Най-простият пример за материал, който може да приеме фракционни заряди, е едномерна верига от атоми със симетрия на отражение по средата. Ако броят на положителните йони във веригата е равен на броя на електроните, всичко изглежда неутрално. Ако обаче числата не са равни, да речем например, ако липсва един електрон, липсващият отрицателен заряд е принуден да се раздели по равно между двете симетрични страни на веригата, оставяйки частичен заряд e/2 от всяка страна. "В симетричните материали на въртенето, които изучаваме, дробни заряди могат да съществуват в единици 1/3, 1/4 или дори 1/6, в зависимост от основната симетрия", каза Хюз.

За да търси експериментално подписа на тези частични заряди, екипът е изградил специално проектирани схеми, направени от микровълнови резонатори, които са устройства, които абсорбират електромагнитното лъчение само на определена честота (приблизително същата честота като микровълновата фурна). Тези сантиметрови резонатори действат като атомите в реалния материал, което позволява изграждането и тестването на широк спектър от материални възможности.

"За съжаление, понастоящем не е възможно да се изгради материален атом по атом и често е трудно да се намерят естествено срещащи се материали със свойствата, които търсим. Вместо това, ние изградихме верижни аналози на кристалите, за които беше предвидено да приемат дробни заряди Използвайки този подход, можем да измерим как тези вериги поглъщат радиация и да го използваме, за да изчислим как електроните биха се държали в аналогичен кристал в твърдо състояние, "сподели студент по електротехника и водещ автор Кристофър Питърсън.

Предишни теоретични проучвания предполагат, че измерването на фракционните заряди е от ключово значение за идентифицирането на нов клас материали, наречени топологични изолатори от по-висок ред, но не е имало начин експериментално да се тества това. След установяването на нов метод за измерване на такива частични заряди, изследователите също успяха да разработят и демонстрират нова метрика за идентифициране на топология от висок ред.

Топологичните изолатори наскоро спечелиха славата на здравите проводими канали на техните граници, които остават в девствено състояние дори когато материалът има дефекти. Тази здравина е много примамлива, тъй като може да се използва за по-ефективни електронни и оптични устройства, като защитава предаването на електричество или електромагнитни вълни, въпреки производствените грешки или повреди. Новооткритите топологични изолатори от по-висок ред допълват тази история, като хостват защитени проводящи канали в пресечните точки на граници, напр. в ъглите вместо ръбовете, което може значително да разшири възможностите за стабилни технологии.

"Новият метод за идентификация, който демонстрирахме, може да позволи на учените недвусмислено да идентифицират топологични изолатори от всякакъв ред, използвайки техния фракционен подпис на заряда. В крайна сметка това носи обещанието за по-ефективни и здрави устройства, базирани на топологични материали, все по-близо до реалността," каза ръководителят на отбора Гаурав Бал.

Работата беше спонсорирана от Националната научна фондация на САЩ и Службата за военноморски изследвания. Сътрудници на статията са също Тианхе Ли, студент по физика в UIUC и Владимир Беналказар, постдокторант в държавния университет в Пенсилвания.