Sulla destra, un ritaglio di cella unitaria del circuito, che è stato costruito per dimostrare l'effetto pelle non hermitiana, è mostrato. In un), viene delineato il sottostante modello teorico non hermitiano, che descrive gli accoppiamenti tra nodi adiacenti. (b) rappresenta un diagramma schematico dell'intera catena del circuito con 20 celle unitarie con condizioni al contorno periodiche (senza confine) o aperte. (c) Schema circuitale della cella unitaria ripetuta periodicamente con due nodi interni. Credito:Lehrstuhl für Theoretische Physik I / Universität Würzburg
I metamateriali topologici vengono applicati come una nuova piattaforma per esplorare e studiare effetti straordinari. Invece di utilizzare materiali naturali, i ricercatori organizzano artificialmente i costituenti di un metamateriale topologico in una struttura regolare. Tale disposizione è analoga a uno stato solido in cui gli atomi formano un reticolo cristallino. Generalmente, queste piattaforme vengono utilizzate per simulare particolari proprietà dei solidi al fine di renderli suscettibili di indagine sperimentale.
Fisici della Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg in Baviera, Germania, effettuare ricerche su quei metamateriali topologici, uno schema centrale del Cluster di Eccellenza Würzburg-Dresda, ct.qmat.
Nuovi fenomeni topologici
Un motivo correlato della ricerca allo stato solido a Würzburg è la scoperta e la caratterizzazione di nuovi fenomeni topologici. Si tratta dello studio degli isolanti topologici, che sono isolanti alla rinfusa, ma presentano stati di superficie conduttori. Gli scienziati di tutto il mondo sono impegnati in un'intensa ricerca su questi materiali poiché mostrano fenomeni fisici avvincenti. Un giorno, questa ricerca può portare a progressi nella tecnologia dei semiconduttori o in altri campi.
I ricercatori della JMU riportano i loro ultimi risultati sulla rivista Fisica della natura . Gli isolanti topologici sono generalmente considerati sistemi isolati (hermitiani). In contrasto, gli scienziati possono modificare i metamateriali topologici per studiare le implicazioni dello scambio di energia con l'ambiente. Queste interazioni influenzano il comportamento del sistema dall'esterno, come nel caso dell'attrito. Per di qua, hanno verificato sperimentalmente l'effetto cutaneo non hermitiano (NHSE) precedentemente previsto in teoria.
La cella unitaria del circuito contiene due nodi in cui viene misurata la tensione. È periodicamente disposto per assomigliare alla struttura cristallina di un solido. Credito:Julius-Maximilians-Universität Würzburg, JMU
Tutti gli stati si localizzano ai margini
Il NHSE prevede che, a differenza di un comune isolante topologico, non solo una piccola frazione ma tutti gli stati del materiale appaiono al suo bordo, cioè sono localizzati lì. Questo è descritto da Tobias Helbig e Tobias Hofmann, i primi autori congiunti della pubblicazione. Sono entrambi dottorandi. studenti del gruppo di ricerca del professor Ronny Thomale, capo della Cattedra JMU di Fisica Teorica I.
"La nostra ricerca mostra, tra l'altro, che i principi fisici conosciuti dai sistemi a stato solido isolati devono essere fondamentalmente modificati nel caso non hermitiano, " spiegano i dottorandi. Le nuove scoperte non avrebbero ancora un'applicazione diretta. Tuttavia, hanno il potenziale per migliorare i rilevatori ottici altamente sensibili, come esempio.
I circuiti elettrici come centro di innovazione nella ricerca di base
Gli esperimenti che hanno portato ai nuovi risultati sono stati condotti con il gruppo del Dr. Tobias Kießling e la JMU Chair of Experimental Physics III. Ulteriori contributi e idee sono stati presentati dal professor Alexander Szameit dell'Università di Rostock. I fisici JMU collaborano con il team di Szameit sul tema della fotonica topologica all'interno del cluster di eccellenza ct.qmat.
Al fine di dimostrare sperimentalmente l'effetto pelle non hermitiana, il team JMU ha utilizzato circuiti elettrici con elementi disposti periodicamente. A causa della loro somiglianza con la struttura cristallina di un solido, tali ambienti sperimentali disposti artificialmente sono classificati come metamateriali.
Un'alimentazione di corrente è imposta sul lato sinistro di un circuito con 20 celle unitarie realizzate da una sorgente di corrente esterna. Indipendentemente dalla posizione dell'eccitazione, la distribuzione della tensione ha un picco sul bordo destro e decresce esponenzialmente verso sinistra, che conferma la localizzazione di tutti gli stati al confine destro. Credito:Julius-Maximilians-Universität Würzburg, JMU
Applicazioni della materia topologica in vista
prospetticamente, il team di ricerca vuole studiare ulteriormente l'interazione tra gli stati topologici e la fisica non hermitiana. Una questione chiave sarà fino a che punto la protezione topologica degli stati rimane intatta quando sono presenti interazioni con l'ambiente.
A lungo termine, il team intende progredire verso circuiti ibridi quantistici in cui intendono incorporare superconduttori o altri elementi di circuiti meccanici quantistici. Tali circuiti offrono una piattaforma versatile per la scoperta di nuovi fenomeni.
"Miriamo a trasferire le intuizioni dai circuiti topologici ad altre piattaforme di metamateriali alla ricerca di potenziali applicazioni, " dice il professor Thomale. Ciò include configurazioni ottiche come le guide d'onda fotoniche. stati topologicamente protetti in sistemi non hermitiani potrebbero rivelarsi rilevanti nel miglioramento dell'elaborazione del segnale e dei rivelatori, nonché nella costruzione di un computer quantistico fotonico. Infine, lo schema ultimo nella ricerca sui metamateriali topologici è la riconnessione di nuovi effetti a stati solidi reali.
