Eine neue Variante der Chiralität: Forscher erweitern das Konzept der Direktionalität und schlagen eine neue Klasse von Materialien vor

8. Mai 2023

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von Michael O'Boyle, University of Illinois Grainger College of Engineering

Es ist oft wünschenswert, den Fluss von Schall, Strom oder Wärme auf eine Richtung zu beschränken, aber natürliche Systeme lassen dies fast nie zu. Unter bestimmten Bedingungen kann jedoch tatsächlich ein unidirektionaler Fluss erzeugt werden, und die resultierenden Systeme sollen chirales Verhalten zeigen.

Das Konzept der Chiralität ist traditionell auf eindimensionale Strömungen in einer Richtung beschränkt. Im Jahr 2021 führten Forscher um Taylor Hughes, Professor für Physik an der University of Illinois Urbana-Champaign, jedoch eine theoretische Erweiterung ein, die komplexere chirale Flüsse in zwei Dimensionen erklären kann.

Jetzt hat ein Team unter der Leitung von Hughes und Gaurav Bahl, einem UIUC-Professor für Maschinenbau und Ingenieurwesen, diese Erweiterung experimentell realisiert. Wie die Forscher in Nature Communications berichteten, konstruierten sie ein topologisches Schaltkreisnetzwerk, ein elektronisches System, das das mikroskopische Verhalten von Quantenmaterialien simuliert, um die völlig neuen Verhaltensweisen zu erforschen, die durch diese erweiterte oder höherrangige Chiralität vorhergesagt werden.

„Tatsächlich haben wir die Idee einer Einbahnstraße auf zwei Dimensionen verallgemeinert“, sagte Hughes. „In zwei Dimensionen gibt es kein absolutes Gefühl dafür, dass sich etwas in die eine oder andere Richtung bewegt, aber wenn man einen festen Pfeil mit sich herumträgt, kann man immer noch eine chirale Bewegung relativ zu diesem Pfeil beschreiben.“

Tatsächlich manifestiert sich höherrangige Chiralität als Verriegelung zwischen der Strömungsrichtung eines Partikels und der Richtung eines Pfeils oder einer Vektorgröße, die es mit sich führt. Für diese Studie konzentrierte sich das Team auf Rang-2-Chiralität, bei der der Fluss so fixiert ist, dass er quer zum von den Partikeln getragenen Impulsvektor verläuft.

Penghao Zhu, Hauptautor der Studie und Physikstudent an der UIUC, erklärte: „In der Standardchiralität können Strömungen nur in eine Richtung gehen – sagen wir mal nach rechts. Ein Rang-2-System ist jedoch so konzipiert, dass wenn der Impuls eines Teilchens ist oben, dann fließt es nach rechts, und wenn der Impuls nach unten zeigt, dann fließt es nach links.“

In der Studie von 2021 schlug Hughes‘ Gruppe ein Quantenmaterialsystem für Rang-2-Chiralität vor, aber ihr interdisziplinäres Team erkannte, dass sie das Verhalten dieses Systems stattdessen mit einem topologischen Schaltkreisnetzwerk untersuchen könnten. Auf dieser Plattform ist Chiralität eine Folge mikroskopischer Dissipation oder Reibung, die als Nicht-Hermitizität bezeichnet wird und so konstruiert ist, dass sie nur Strömungen in bestimmten Richtungen beeinflusst, so dass unerwünschte Strömungen schnell absterben und nur Strömungen in die gewünschte Richtung übrig bleiben.

Zhu und Postdoktorand Xiao-Qi Sun entwarfen ein Schaltkreisnetzwerk, das die erforderliche Nicht-Hermitizität aufweist, und arbeiteten mit Bahl zusammen, um dieses „Meta“-Material zu konstruieren und experimentelle Messungen durchzuführen. Laut Zhu wies das Material eine wichtige Signatur chiraler Systeme auf: den nicht-hermiteschen Hauteffekt, bei dem die auferlegte Unidirektionalität dazu führt, dass sich der Fluss an der Systemgrenze ansammelt.

„Darüber hinaus zeigt unser Experiment neue Phänomene, die bisher noch nicht erforscht wurden, wie etwa die Eckenlokalisierung, bei der sich die Strömungen an den Materialecken ansammeln“, sagte er. „Dies ist etwas ganz Besonderes für die Rang-2-Chiralität und kann bei keinem bisher nachgewiesenen Skin-Effekt beobachtet werden.“

Die durch höherrangige Chiralität gebotenen Verallgemeinerungen deuten auf eine neue Klasse von Geräten hin, die zum Filtern von Strömungen und zum Konstruieren optischer Strahlen verwendet werden könnten. Sun stellt sich ein Gerät vor, das Photonen oder Lichtteilchen basierend auf ihrer Ausbreitungsrichtung trennt: Wenn nur die nach rechts wandernden Photonen erwünscht sind, könnte ein chirales Material vom Rang 2 die sich nach links ausbreitenden Photonen entfernen, indem es sie in eine andere Richtung zwingt Richtung, die verworfen werden soll.

„Eine weitere nützliche Umsetzung dieser Idee könnte auf elektronische Halbleitergeräte erfolgen, wo neue und einzigartige Filtervorgänge mit Elektronen durchgeführt werden könnten“, sagte Bahl. „So ziemlich jedes elektronische Rechen- und Kommunikationsgerät, das wir heute verwenden, basiert auf der Steuerung des Elektronenflusses. Wenn wir in der Lage sind, dieses höherrangige chirale Verhalten in der Mikroelektronik zu reproduzieren, ein Verhalten, zu dem wir noch nie zuvor Zugang hatten, könnte dies der Fall sein.“ zu einigen transformativen neuen Anwendungen führen.“

Sun fügte hinzu, dass die wahre Belohnung beim Studium höherrangiger Systeme ein tieferes Verständnis dessen sei, was möglich sei.

„Indem wir Systeme entwerfen und konstruieren, die unser Verständnis erweitern, machen wir den ersten Schritt in Richtung eines viel allgemeineren Universums“, sagte er.

Mehr Informationen: Penghao Zhu et al., Höherrangige Chiralität und nicht-hermitescher Hauteffekt in einem topolektrischen Schaltkreis, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-36130-x

Zeitschrifteninformationen:Naturkommunikation

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