Новый взгляд на хиральность: исследователи расширяют концепцию направленности и предлагают новый класс материалов

8 мая 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Майкл О'Бойл, Инженерный колледж Грейнджер Университета Иллинойса

Часто желательно ограничить потоки — будь то звука, электричества или тепла — в одном направлении, но естественные системы почти никогда этого не допускают. Однако при определенных условиях действительно можно создать однонаправленный поток, и считается, что полученные системы проявляют киральное поведение.

Концепция хиральности традиционно ограничивается однонаправленными потоками в одном измерении. Однако в 2021 году исследователи, работающие с Тейлором Хьюзом, профессором физики Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне, представили теоретическое расширение, которое может объяснить более сложные киральные потоки в двух измерениях.

Теперь команда под руководством Хьюза и Гаурава Бала, профессора механики и инженерии UIUC, экспериментально реализовала это расширение. Как сообщили исследователи в журнале Nature Communications, они построили топологическую сеть, систему электроники, которая имитирует микроскопическое поведение квантовых материалов, чтобы исследовать совершенно новое поведение, предсказанное этой расширенной или более высокой киральностью.

«По сути, мы обобщили идею улицы с односторонним движением на два измерения», — сказал Хьюз. «В двух измерениях нет абсолютного ощущения того, что что-то движется в ту или иную сторону, но если вы носите с собой фиксированную стрелку, вы все равно можете описать киральное движение относительно этой стрелки».

Действительно, хиральность более высокого ранга проявляется как блокировка между направлением потока частицы и направлением стрелки или векторной величины, которую она несет с собой. В этом исследовании команда сосредоточилась на киральности второго ранга, при которой поток блокируется так, чтобы быть поперечным вектору импульса, переносимому частицами.

Пэнхао Чжу, ведущий автор исследования и аспирант физики UIUC, объяснил: «В стандартной киральности потоки могут идти только в одну сторону — скажем, вправо. Однако система ранга 2 устроена так, что если импульс частицы вверху, то он течет вправо, а если импульс направлен вниз, то он течет влево».

В исследовании 2021 года группа Хьюза предложила систему квантового материала для киральности 2-го ранга, но их междисциплинарная команда поняла, что вместо этого они могут исследовать поведение этой системы с помощью топологической сети цепей. На этой платформе хиральность является следствием микроскопической диссипации или трения, называемого неэрмитизмом, которое было спроектировано так, чтобы воздействовать только на потоки в определенных направлениях, так что нежелательные потоки быстро затухают, оставляя только поток в желаемом направлении.

Чжу и научный сотрудник Сяо-Ци Сунь разработали электрическую сеть, которая демонстрирует необходимую неэрмитичность, и они сотрудничали с Бахлом для создания этого «мета» материала и проведения экспериментальных измерений. По словам Чжу, этот материал обладает важным признаком киральных систем: неэрмитовым скин-эффектом, при котором навязанная однонаправленность заставляет поток накапливаться на границе системы.

«Более того, наш эксперимент демонстрирует новые явления, которые ранее не исследовались, такие как угловая локализация, когда потоки накапливаются в углах материала», — сказал он. «Это нечто особенное для киральности 2-го ранга, и его нельзя увидеть ни в одном скин-эффекте, который был продемонстрирован ранее».

Обобщения, предлагаемые киральностью более высокого ранга, предполагают новый класс устройств, которые можно использовать для фильтрации потоков и создания оптических лучей. Сан представляет себе устройство, которое разделяет фотоны или частицы света в зависимости от направления их движения: если желательны только фотоны, движущиеся вправо, то киральный материал 2-го ранга мог бы удалить фотоны, распространяющиеся влево, заставив их двигаться в другую сторону. направление, которое следует отбросить.