キラリティーの新たな展開: 研究者らは方向性の概念を拡張し、新しい種類の材料を提案

2023 年 5 月 8 日

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Michael O'Boyle、イリノイ大学グレンジャー工科大学著

音、電気、熱などの流れを一方向に制限することが望ましいことがよくありますが、自然に存在するシステムではこれが許可されることはほとんどありません。 しかし、一方向の流れは特定の条件下で実際に設計することができ、その結果得られるシステムはキラルな挙動を示すと言われています。

キラリティーの概念は伝統的に、1 次元における単一方向の流れに限定されています。 しかし2021年、イリノイ大学アーバナシャンペーン校の物理学教授テイラー・ヒューズと共同研究している研究者らは、二次元におけるより複雑なカイラル流を説明できる理論的拡張を導入した。

今回、ヒューズ氏と UIUC 機械科学・工学教授のガウラフ・バール氏率いるチームが、この拡張機能を実験的に実現しました。 Nature Communications で研究者らが報告したように、この拡張された、または高次のキラリティーによって予測されるまったく新しい挙動を探索するために、量子材料の微視的な挙動をシミュレートする電子システムであるトポロジカル回路ネットワークを構築しました。

「事実上、私たちは一方通行の考え方を二次元に一般化したのです」とヒューズ氏は語った。 「二次元では、何かがどちらかの方向に進むという絶対的な感覚はありませんが、固定された矢を持ち歩く場合でも、その矢に対するカイラル運動を記述することができます。」

実際、より高次のキラリティーは、粒子の流れの方向と、粒子が運ぶ矢印の方向またはベクトル量との間のロックとして現れます。 この研究では、チームは流れが粒子によって運ばれる運動量ベクトルを横切るようにロックされているランク 2 のキラリティーに焦点を当てました。

この研究の筆頭著者であり、UIUC物理大学院生であるPenghao Zhu氏は、「標準的なキラリティーでは、流れは一方向、たとえば右方向にしか進むことができない。しかし、ランク2システムは、粒子の運動量が勢いが上向きの場合は右に流れ、勢いが下向きの場合は左に流れます。」

2021年の研究で、ヒューズのグループはランク2キラリティーの量子材料系を提案したが、彼らの学際的なチームは、代わりにトポロジカル回路ネットワークを使用してこの系の挙動を調査できることに気づいた。 このプラットフォームでは、キラリティーは非ハーミティシティと呼ばれる微細な散逸または摩擦の結果であり、特定の方向の流れにのみ影響を与えるように設計されており、不要な流れがすぐに消滅して、目的の方向の流れだけが残ります。

Zhu 氏と博士研究員 Xiao-Qi Sun 氏は、必要な非ハーミティシティを示す回路ネットワークを設計し、Bahl 氏と協力してこの「メタ」材料を構築し、実験測定を実行しました。 Zhu氏によると、この材料はキラル系の重要な特徴、すなわち、強制された一方向性により系の境界に流れが蓄積する非エルミート表皮効果を示したという。

「さらに、私たちの実験では、材料の隅に流れが蓄積する隅の局在化など、これまで調査されていない新しい現象が示されています」と彼は言いました。 「これはランク 2 のキラリティーにとって非常に特別なものであり、これまでに実証された表皮効果では見られません。」

より高いランクのキラリティによってもたらされる一般化は、流れをフィルタリングし、光ビームを操作するために使用できる新しいクラスのデバイスを示唆しています。 太陽は、進行方向に基づいて光子、つまり光の粒子を分離するデバイスを想像しています。右に進行する光子だけが必要な場合、ランク 2 のカイラル材料は、左方向に伝播する光子を強制的に別の方向に移動させることで除去できるでしょう。破棄される方向。