A carga de um único elétron, e, é definida como a unidade básica de carga elétrica. Como os elétrons - as partículas subatômicas que transportam eletricidade - são partículas elementares e não podem ser divididos, frações de carga eletrônica não são normalmente encontradas. Apesar disso, pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign observaram recentemente a assinatura de cargas fracionárias variando de e / 4 a 2e / 3 em materiais exóticos conhecidos como isoladores cristalinos topológicos.

A equipe de pesquisadores, liderado pelo professor de ciência mecânica e engenharia Gaurav Bahl e pelo professor de física Taylor Hughes, tem usado circuitos elétricos de ultra-alta frequência para estudar isoladores topológicos desde 2017. Sua medição recente de carga fracionária, aparecendo na edição atual da revista Ciência , decorre do trabalho teórico da equipe sobre isoladores cristalinos.

Hughes explica, "Pode parecer estranho que até mesmo existam cargas fracionárias, dado que os elétrons são indivisíveis. Mas quando estamos olhando para a carga total de um material, estamos considerando as contribuições de muitos elétrons. Dependendo de como as cargas eletrônicas são organizadas no espaço, eles podem cooperar para deixar para trás uma fração de carga localizada e nitidamente quantizada. "

O exemplo mais simples de um material que pode hospedar cargas fracionárias é uma cadeia unidimensional de átomos com uma simetria de reflexão no meio. Se o número de íons positivos na cadeia for igual ao número de elétrons, tudo parece neutro em termos de carga. Contudo, se os números não forem iguais, digamos, por exemplo, se um elétron estiver faltando, a carga negativa ausente é forçada a se dividir igualmente entre os dois lados simétricos da cadeia, deixando uma carga fracionária e / 2 em cada lado. “Nos materiais simétricos de rotação que estamos estudando, cargas fracionárias podem existir em unidades de 1/3, 1/4, ou mesmo 1/6, dependendo da simetria subjacente, "disse Hughes.

Para pesquisar experimentalmente a assinatura dessas cargas fracionárias, a equipe construiu circuitos especialmente projetados feitos de ressonadores de microondas, que são dispositivos que absorvem radiação eletromagnética apenas em uma frequência específica (aproximadamente a mesma frequência de um forno de micro-ondas). Esses ressonadores em escala centimétrica agem como os átomos de um material real, permitindo a construção e teste de uma ampla gama de possibilidades de materiais.

"Infelizmente, atualmente não é possível construir um átomo por átomo material, e muitas vezes é difícil encontrar materiais naturais com as propriedades que procuramos. Em vez de, construímos circuitos análogos dos cristais previstos para hospedar cargas fracionárias. Usando essa abordagem, podemos medir como esses circuitos absorvem radiação e usar isso para calcular como os elétrons se comportariam em um cristal de estado sólido análogo, "compartilhou o estudante de graduação em engenharia elétrica e o autor principal Christopher Peterson.

Estudos teóricos anteriores sugeriram que a medição de cargas fracionárias é a chave para identificar uma nova classe de materiais chamados isoladores topológicos de ordem superior, mas não havia como testar isso experimentalmente. Depois de estabelecer um novo método para medir essas cargas fracionárias, os pesquisadores também foram capazes de desenvolver e demonstrar uma nova métrica para identificar a topologia de alta ordem.

Isoladores topológicos recentemente ganharam fama pelos canais condutores robustos em seus limites, que permanecem em perfeitas condições, mesmo quando o material tem defeitos. Essa robustez é muito atraente, pois poderia ser usada para tornar os dispositivos eletrônicos e ópticos mais eficientes, protegendo a transmissão de eletricidade ou ondas eletromagnéticas, apesar de erros de fabricação ou danos. Os isoladores topológicos de ordem superior recém-descobertos acrescentam a esta história, hospedando canais condutores protegidos nas interseções dos limites, por exemplo. nos cantos em vez de nas bordas, o que pode expandir muito as possibilidades de tecnologias robustas.

"O novo método de identificação que demonstramos pode permitir aos cientistas identificar de forma inequívoca isoladores topológicos de qualquer ordem, usando sua assinatura de cobrança fracionária. Em última análise, isso traz a promessa de dispositivos mais eficientes e robustos baseados em materiais topológicos cada vez mais próximos da realidade, "disse o líder da equipe Gaurav Bahl.