Naukowcy rozszerzyli kwantowy efekt Halla na trzy wymiary fal akustycznych, wykorzystując pole pseudomagnetyczne do obserwacji nowatorskich jednowymiarowych stanów krawędziowych w krysztale Weyla wydrukowanym w 3D. Źródło: SciTechDaily.com
Nowe badanie wykazało trójwymiarowy kwantowy efekt Halla w falach akustycznych przy użyciu kryształu akustycznego Weyla, co stanowiło pierwszą obserwację jednowymiarowych stanów brzegowych i otwierało możliwości rozwoju zaawansowanych urządzeń akustycznych.
Kwantowy efekt Halla (QHE) jest przełomowym odkryciem w fizyce materii skondensowanej, torującym drogę do eksploracji fizyki topologicznej. Rozwój QHE w trzech wymiarach stanowi ekscytujące, ale i ogromne wyzwanie. Komplikacja wynika z faktu, że w trzech wymiarach poziomy Landaua ewoluują w pasma wzdłuż kierunku pola magnetycznego, co utrudnia tworzenie się luk masowych.
Niedawno zaproponowano wykonalny schemat w półmetalach Weyla, których stany łuku Fermiego na przeciwległych powierzchniach są połączone poprzez masowe punkty Weyla, tworząc kompletną pętlę Fermiego, a pod polem magnetycznym indukowane są jednowymiarowe stany krawędziowe na granicy przeciwną powierzchnię. Jednak unikalne stany krawędziowe nie zostały jeszcze zaobserwowane eksperymentalnie.
W nowym artykule opublikowanym w Biuletyn Naukowybadacze z Uniwersytetu Shanxi i Uniwersytetu Wuhan w Chinach zaproponowali teoretycznie i zademonstrowali trójwymiarowy QHE dla fal akustycznych w krysztale akustycznym Weyla. W szczególności bezpośrednio zaobserwowano interesujące jednowymiarowe stany krawędziowe na przeciwległych powierzchniach.
(a) Schemat sześciokątnej siatki AA. (b) Pierwsza strefa Brillouina i rozkład punktów Weyla. Strzałki pokazują kierunek ich przesunięć poprzez zmianę energii na miejscu A i B. (c) Niejednorodna konfiguracja z gradientem energii na miejscu. (d) Zarysy równoenergetyczne stanów powierzchniowych przy energii punktów Weyla przy różnych energiach na miejscu. (e) Rzutowane rozproszenia struktury w kształcie równoległoboku wzdłuż kierunku kz. (f) Rozkłady funkcji falowych stanów brzegowych. Źródło: Science China Press
Zastosowanie pola pseudomagnetycznego
Ponieważ pole magnetyczne nie ma wpływu na fale akustyczne, skonstruowano pole pseudomagnetyczne, którego wpływ na fale akustyczne jest podobny do pola magnetycznego na elektrony. Powszechną strategią konstruowania PMF fal akustycznych jest wprowadzenie gradientu strukturalnego. W artykule wprowadzono strukturę gradientową poprzez zmianę wielkości wnęk akustycznych odpowiadających energii panującej na miejscu. W tym procesie łuki Fermiego łączyły punkty Weyla jednocześnie przesunięte w tym samym kierunku, dzięki czemu zarówno stan masowy, jak i powierzchniowy odczuwały to samo pole pseudomagnetyczne. Za pomocą pola pseudomagnetycznego stany powierzchniowe utworzyły poziomy Landaua, a jednowymiarowe stany krawędziowe zostały wygenerowane i zlokalizowane w pobliżu zawiasów ukośnych.
W eksperymencie wytworzono próbkę kryształu akustycznego przy użyciu technologii druku 3D, a jednowymiarowe stany krawędziowe bezpośrednio obserwowano poprzez pomiar pola ciśnienia akustycznego w próbce.
„To badanie może otworzyć nowe sposoby manipulowania falami akustycznymi, co stanowi podstawę dla urządzeń akustycznych o niekonwencjonalnych funkcjach. Zapewnia idealną i przestrajalną platformę do badania fizyki Halla i może rozszerzyć się na inne sztuczne struktury, takie jak układy optyczne i zimne atomy”. Naukowcy prognozują.
Odniesienie: „Obserwacja 3D akustycznych kwantowych stanów Halla” autorstwa Xuewei Zhang, Qiang Wei, Mian Peng, Weiyin Deng, Jiuyang Lu, Xueqin Huang, Suotang Jia, Mou Yan, Zhengyou Liu i Gang Chen, 26 kwietnia 2024 r., Biuletyn Naukowy.
DOI: 10.1016/j.scib.2024.04.055
Badanie zostało sfinansowane ze środków Narodowego Programu Badań i Rozwoju Chin (Ministerstwo Nauki i Technologii).
