Forscher erweitern das Konzept der Direktionalität und schlagen eine neue Klasse von Materialien vor

Es ist oft wünschenswert, Strömungen – ob Schall, Strom oder Wärme – auf eine Richtung zu beschränken, aber natürlich vorkommende Systeme erlauben dies fast nie. Unter bestimmten Bedingungen kann jedoch tatsächlich ein Fluss in eine Richtung konstruiert werden, und die resultierenden Systeme sollen ein chirales Verhalten aufweisen.

Das Konzept der Chiralität ist traditionell auf Flüsse in einer Richtung in einer Dimension beschränkt. Im Jahr 2021 führten Forscher um Taylor Hughes, Physikprofessor an der University of Illinois Urbana-Champaign, jedoch eine theoretische Erweiterung ein, die kompliziertere 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 berichteten Naturkommunikationkonstruierten sie ein topologisches Schaltungsnetzwerk, ein elektronisches System, das das mikroskopische Verhalten von Quantenmaterialien simuliert, um das völlig neue Verhalten zu erforschen, das von dieser erweiterten oder höherrangigen Chiralität vorhergesagt wird.

„Im Endeffekt haben wir die Idee einer Einbahnstraße in zwei Dimensionen verallgemeinert“, sagte Hughes. „In zwei Dimensionen gibt es kein absolutes Gefühl dafür, dass etwas in die eine oder andere Richtung geht, aber wenn Sie einen festen Pfeil mit sich herumtragen, können Sie immer noch die 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 die Strömung so gesperrt ist, dass sie quer zum von den Partikeln getragenen Impulsvektor verläuft.

Penghao Zhu, Hauptautor der Studie und Doktorand der UIUC-Physik, erklärte: „In der Standard-Chiralität können Strömungen nur in eine Richtung gehen – sagen wir mal nach rechts oben ist, dann fließt es nach rechts, und wenn der Impuls nach unten zeigt, dann fließt es nach links.“

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

Zhu und der Postdoktorand Xiao-Qi Sun entwarfen ein Schaltungsnetzwerk, das die erforderliche Nichthermitizität aufweist, und sie arbeiteten mit Bahl zusammen, um dieses „Meta“-Material zu konstruieren und experimentelle Messungen durchzuführen. Laut Zhu zeigte das Material eine wichtige Signatur chiraler Systeme: den nicht-hermitischen Skin-Effekt, bei dem die auferlegte Unidirektionalität dazu führt, dass sich der Fluss an der Grenze des Systems ansammelt.

„Darüber hinaus zeigt unser Experiment neue Phänomene, die bisher nicht erforscht wurden, wie die Eckenlokalisierung, bei der sich die Strömungen an den Materialecken ansammeln“, sagte er. „Das ist etwas ganz Besonderes für Rang-2-Chiralität und lässt sich in keinem zuvor nachgewiesenen Skin-Effekt beobachten.“

Die Verallgemeinerungen, die die höherrangige Chiralität bietet, legen eine neue Klasse von Geräten nahe, 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 Bewegungsrichtung trennt: Wenn nur die nach rechts laufenden Photonen erwünscht sind, könnte ein chirales Material des Ranges 2 die nach links ausbreitenden Photonen entfernen, indem es sie in eine andere Richtung zwingt Richtung zu verwerfen.

„Eine weitere nützliche Zuordnung dieser Idee könnte zu elektronischen Halbleitergeräten erfolgen, wo neue und einzigartige Filteroperationen mit Elektronen durchgeführt werden können“, sagte Bahl. „So ziemlich jedes elektronische Rechen- und Kommunikationsgerät, das wir heute verwenden, beruht auf der Steuerung des Elektronenflusses. Wenn wir in der Lage sind, dieses höherrangige chirale Verhalten in der Mikroelektronik zu replizieren, ein Verhalten, zu dem wir noch nie zuvor Zugang hatten, könnte es das zu einigen transformativen neuen Anwendungen führen.“

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

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