La carica di un singolo elettrone, e, è definita come l'unità di base della carica elettrica. Poiché gli elettroni, le particelle subatomiche che trasportano elettricità, sono particelle elementari e non possono essere scisse, normalmente non si incontrano frazioni di carica elettronica. Nonostante questo, ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno recentemente osservato la firma di cariche frazionarie che vanno da e/4 a 2e/3 in materiali esotici noti come isolanti cristallini topologici.

Il team di ricercatori, guidato dal professore di scienze meccaniche e ingegneria Gaurav Bahl e dal professore di fisica Taylor Hughes, utilizza circuiti elettrici ad altissima frequenza per studiare gli isolanti topologici dal 2017. La loro recente misurazione della carica frazionaria, apparso nell'ultimo numero della rivista Scienza , deriva dal lavoro teorico del team sugli isolanti cristallini.

Hughes spiega, "Può sembrare strano che possano esistere anche cariche frazionarie, dato che gli elettroni sono indivisibili. Ma quando osserviamo la carica totale di un materiale, stiamo considerando i contributi di molti elettroni. A seconda di come le cariche elettroniche sono disposte nello spazio, possono cooperare per lasciare una frazione di carica localizzata e nettamente quantizzata."

L'esempio più semplice di un materiale che può ospitare cariche frazionarie è una catena unidimensionale di atomi con una simmetria di riflessione nel mezzo. Se il numero di ioni positivi nella catena è uguale al numero di elettroni, tutto sembra a carica neutra. Però, se i numeri non sono uguali, diciamo per esempio se manca un elettrone, la carica negativa mancante è costretta a dividersi equamente tra i due lati simmetrici della catena, lasciando una carica e/2 frazionaria su ciascun lato. "Nei materiali a rotazione simmetrica che stiamo studiando, le cariche frazionarie possono esistere in unità di 1/3, 1/4, o anche 1/6, a seconda della simmetria sottostante, " ha detto Hughes.

Per cercare sperimentalmente la firma di queste cariche frazionarie, il team ha costruito circuiti appositamente progettati fatti di risonatori a microonde, che sono dispositivi che assorbono la radiazione elettromagnetica solo a una frequenza specifica (circa la stessa frequenza di un forno a microonde). Questi risonatori in scala centimetrica agiscono come gli atomi all'interno di un materiale reale, consentendo la costruzione e il collaudo di un'ampia gamma di possibilità di materiali.

"Sfortunatamente, non è attualmente possibile costruire un materiale atomo per atomo, ed è spesso difficile trovare materiali naturali con le proprietà che stiamo cercando. Anziché, abbiamo costruito circuiti analoghi ai cristalli che si prevedeva ospitassero cariche frazionarie. Utilizzando questo approccio, possiamo misurare come questi circuiti assorbono la radiazione e usarla per calcolare come si comporteranno gli elettroni in un analogo cristallo allo stato solido, " ha condiviso lo studente laureato in ingegneria elettrica e l'autore principale Christopher Peterson.

Precedenti studi teorici avevano suggerito che la misurazione delle cariche frazionarie è la chiave per identificare una nuova classe di materiali chiamati isolanti topologici di ordine superiore, ma non c'era stato modo di testarlo sperimentalmente. Dopo aver stabilito un nuovo metodo per misurare tali cariche frazionarie, i ricercatori sono stati anche in grado di sviluppare e dimostrare una nuova metrica per identificare la topologia di ordine superiore.

Gli isolanti topologici hanno recentemente guadagnato fama per i robusti canali conduttivi ai loro confini, che rimangono in ottime condizioni anche quando il materiale presenta difetti. Questa robustezza è molto allettante poiché potrebbe essere utilizzata per rendere più efficienti i dispositivi elettronici e ottici, proteggendo la trasmissione di elettricità o onde elettromagnetiche, nonostante errori di fabbricazione o danni. Gli isolanti topologici di ordine superiore appena scoperti si aggiungono a questa storia ospitando canali conduttivi protetti alle intersezioni dei confini, per esempio. agli angoli invece che ai bordi, che può ampliare notevolmente le possibilità di tecnologie robuste.

"Il nuovo metodo di identificazione che abbiamo dimostrato potrebbe consentire agli scienziati di identificare in modo univoco isolanti topologici di qualsiasi ordine, utilizzando la loro firma di carica frazionaria. In definitiva, questo porta la promessa di dispositivi più efficienti e robusti basati su materiali topologici sempre più vicini alla realtà, ", ha detto il capo squadra Gaurav Bahl.