À direita, um recorte de célula unitária da placa de circuito, que foi construído para demonstrar o efeito de pele não hermitiano, é mostrado. Em um), o modelo teórico não hermitiano subjacente é esboçado, que descreve os acoplamentos entre nós adjacentes. (b) representa um diagrama esquemático da cadeia de circuito completa com 20 células unitárias com condições periódicas (sem limite) ou de limite aberto. (c) Diagrama esquemático do circuito da célula unitária repetida periodicamente com dois nós internos. Crédito:Lehrstuhl für Theoretische Physik I / Universität Würzburg
Metamateriais topológicos são aplicados como uma nova plataforma para explorar e estudar efeitos extraordinários. Em vez de usar materiais naturais, pesquisadores organizam artificialmente os constituintes de um metamaterial topológico em uma estrutura regular. Tal arranjo é análogo a um estado sólido no qual os átomos formam uma estrutura cristalina. Usualmente, essas plataformas são usadas para simular propriedades particulares de sólidos, a fim de torná-los passíveis de investigação experimental.
Físicos da Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg, na Baviera, Alemanha, realizar pesquisas sobre esses metamateriais topológicos, um esquema central do Cluster de Excelência Würzburg-Dresden, ct.qmat.
Novos fenômenos topológicos
Um motivo relacionado à pesquisa de estado sólido em Würzburg é a descoberta e caracterização de novos fenômenos topológicos. Trata-se do estudo de isoladores topológicos, que são isolantes em massa, mas apresentam estados de superfície condutores. Cientistas de todo o mundo se envolvem em pesquisas intensivas sobre esses materiais, pois eles exibem fenômenos físicos atraentes. Um dia, esta pesquisa pode levar a avanços na tecnologia de semicondutores ou em outros campos.
Os pesquisadores do JMU relatam seus mais novos resultados na revista Física da Natureza . Isoladores topológicos são geralmente considerados sistemas isolados (Hermitian). Em contraste, os cientistas podem ajustar os metamateriais topológicos para estudar as implicações da troca de energia com o meio ambiente. Essas interações influenciam o comportamento do sistema de fora, como seria o caso do atrito. Por aqui, eles verificaram experimentalmente o efeito de pele não hermitiano (NHSE) previamente previsto em teoria.
A célula unitária do circuito contém dois nós onde a tensão está sendo medida. É periodicamente organizado para se assemelhar à estrutura cristalina de um sólido. Crédito:Julius-Maximilians-Universität Würzburg, JMU
Todos os estados estão localizados na borda
O NHSE envolve isso, em contraste com um isolante topológico comum, não apenas uma pequena fração, mas todos os estados do material aparecem em sua borda, ou seja, estão localizados lá. Isso é descrito por Tobias Helbig e Tobias Hofmann, os primeiros co-autores da publicação. Ambos são Ph.D. alunos do grupo de pesquisa do professor Ronny Thomale, chefe da cátedra de Física Teórica do JMU I.
"Nossa pesquisa mostra, entre outras coisas, que os princípios físicos conhecidos de sistemas de estado sólido isolados precisam ser fundamentalmente modificados no caso não hermitiano, "Os alunos de doutorado explicam. As novas descobertas ainda não teriam uma aplicação direta. No entanto, eles têm o potencial de melhorar os detectores ópticos altamente sensíveis, como um exemplo.
Circuitos elétricos como centro de inovação em pesquisa básica
Os experimentos que levaram aos novos resultados foram conduzidos com o grupo do Dr. Tobias Kießling e a Cadeira de Física Experimental III do JMU. Contribuições e ideias adicionais foram apresentadas pelo Professor Alexander Szameit, da Universidade de Rostock. Os físicos da JMU cooperam com a equipe de Szameit no tópico de fotônica topológica dentro do cluster de excelência ct.qmat.
A fim de demonstrar o efeito de pele não hermitiano experimentalmente, a equipe JMU usou circuitos elétricos com elementos dispostos periodicamente. Devido à sua semelhança com a estrutura cristalina de um sólido, tais configurações experimentais arranjadas artificialmente são classificadas como um metamaterial.
Uma alimentação de corrente é imposta no lado esquerdo de um circuito com 20 células unitárias realizadas por uma fonte de corrente externa. Independentemente da localização da excitação, a distribuição de tensão atinge o pico na borda direita e diminui exponencialmente para a esquerda, que confirma a localização de todos os estados na fronteira direita. Crédito:Julius-Maximilians-Universität Würzburg, JMU
Aplicações da matéria topológica à vista
Prospectivamente, a equipe de pesquisa quer investigar mais a interação entre os estados topológicos e a física não-hermitiana. Uma questão chave será até que ponto a proteção topológica dos estados permanece intacta quando as interações com o meio ambiente estão presentes.
A longo prazo, a equipe pretende progredir em direção a circuitos híbridos quânticos nos quais planejam incorporar supercondutores ou outros elementos de circuitos mecânicos quânticos. Esses circuitos oferecem uma plataforma versátil para a descoberta de novos fenômenos.
"Nosso objetivo é transferir os conhecimentos de circuitos topológicos para outras plataformas de metamateriais na busca de aplicações potenciais, "O professor Thomale diz. Isso inclui configurações ópticas, como guias de ondas fotônicas. estados topologicamente protegidos em sistemas não-Hermitianos podem ser relevantes no aprimoramento do processamento de sinais e detectores, bem como na construção de um computador quântico fotônico. Eventualmente, o esquema final na pesquisa em metamateriais topológicos é a reconexão de novos efeitos a estados sólidos reais.
