识别分数电荷特征，拓扑材料可迎新升级学术资讯

研究人员使用的四倍对称拓扑电路。

单个电子的电荷e被定义为电荷的基本单位。电子是基本粒子，无法再分割，因此通常不会提到“部分电子电荷”。《科学》杂志报道，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）的研究人员最近在拓扑晶体绝缘体中观察到了e/4和2e/3的分数电荷特征。

自2017年以来，机械科学与工程学教授Gaurav Bahl 和物理学教授Taylor Hughes领导的研究团队一直致力于用超高频电路研究拓扑绝缘体。结合团队对晶体绝缘体的理论研究，他们完成了对分数电荷的测定。Hughes解释说：“电子是不可分的，分数电荷的存在似乎很奇怪。我们分析一种材料的总电荷时，考虑的是许多电子的贡献——这取决于电荷在空间中的排列方式，它们可能会相互合作，留下局部的、急剧量子化的电荷。”

具有反射对称性的一维原子链是能够容纳分数电荷的最简单实例。如果链段中正离子的数量等于电子的数量，那么链段电性是中性的。如果两者不相等，例如丢失一个电子，且丢失的负电荷被链段的对称侧均分，就会留下e/2的电荷。Hughes说：“在我们研究的旋转对称材料中，电荷能够以1/3、1/4甚至1/6的分数形式存在。”

为了在实验中寻找分数电荷的特征，研究人员构建了由微波谐振器构成的特殊电路。微波谐振器是一种只会在特定频率吸收电磁辐射的设备。这些厘米级的谐振器能够扮演真实材料中的原子的角色，使各种材料的构建和测试具备可行性。

论文作者、电气工程学研究生Christopher Peterson说：“然而，我们无法逐个原子地构建材料，也很难找到具备所需特性的天然材料。因此，我们选择了折中方案——构建晶体电路类似物。利用这种方法，我们可以测试电路对辐射的吸收，并计算电子在类似固态晶体中的行为。”

此前的理论研究表明，分数电荷的测量是识别高阶拓扑绝缘体的关键。但是，研究人员无法通过实验进行论证。现在，借助Peterson等建立的新方法，研究人员得以识别高阶拓扑绝缘体。拓扑绝缘体因其边界处的强导电通道而成为研究热点。即便材料中存在缺陷，这些通道也能保持原始状态。这种稳定性非常引人关注，可以用于提高电子和光学设备的效率，保护电力、电磁波传输。高阶拓扑绝缘体边界交叉点存在受保护的导电通道，比普通拓扑绝缘体的性能更加优越。

Gaurav Bahl表示：“我们演示的新方法能够让科学家利用分数电荷特征明确识别任意顺序的拓扑绝缘体。这将使基于拓扑材料的高效、稳定设备更具现实意义。”

科界原创

编译：雷鑫宇

审稿：alone

责编：张梦

期刊来源：《科学》

期刊编号：0036-8075

原文链接：

https://phys.org/news/2020-06-signatures-fractional-electronic-topological-insulators.html