伊利诺伊大学香槟分校 本研究中使用的4重对称拓扑电路的照片
信用:克里斯托弗·彼得森，格兰杰工程公司 单个电子的电荷被定义为电荷的基本单位
因为电子——携带电荷的亚原子粒子——是基本粒子，不能分裂，所以通常不会遇到电子电荷的碎片
尽管如此，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员最近观察到了拓扑晶体绝缘体这种奇特材料中e/4到2e/ 3范围内的分数电荷特征
自2017年以来，由机械科学与工程教授高拉夫·巴赫尔和物理学教授泰勒·休斯领导的研究团队一直在使用超高频电路研究拓扑绝缘体
他们最近对分数电荷的测量出现在最新一期的《科学》杂志上，源于该团队对晶体绝缘体的理论研究
休斯解释说，“考虑到电子是不可分割的，分数电荷甚至可以存在，这似乎很奇怪
但是当我们考虑一种物质的总电荷时，我们考虑了许多电子的贡献
根据电子电荷在空间中的排列方式，它们可能会合作留下一部分局域化的、急剧量子化的电荷
" 能够承载部分电荷的材料的最简单例子是一维原子链，中间是反射对称
如果链中正离子的数量等于电子的数量，那么一切看起来都是电荷中性的
然而，如果数字不相等，例如，如果一个电子丢失，丢失的负电荷被迫在链的两个对称侧平分，在每侧留下分数e/2电荷
休斯说:“在我们正在研究的旋转对称材料中，分数电荷可以以1/3、1/4甚至1/6的单位存在，这取决于潜在的对称性。”
为了在实验中寻找这些分数电荷的特征，该团队建造了由微波谐振器制成的特殊设计的电路，这种器件只吸收特定频率的电磁辐射(与微波炉的频率大致相同)
这些厘米级的谐振器就像真实材料中的原子一样，能够构建和测试各种材料的可能性
“不幸的是，目前不可能一个原子一个原子地建造一种材料，而且通常很难找到具有我们所寻找的性质的天然材料
相反，我们构建了晶体的电路类似物，预计将容纳部分电荷
使用这种方法，我们可以测量这些电路如何吸收辐射，并利用它来计算电子在类似的固态晶体中的行为，”分享的电气工程研究生和主要作者克里斯托弗·彼得森说
以前的理论研究表明，分数电荷的测量是识别一种新的材料类别的关键，这种新的材料被称为更高阶的绝缘体，但还没有办法通过实验来验证这一点
在建立了测量这种分数电荷的新方法后，研究人员还能够开发和演示一种新的度量来识别高阶拓扑
拓扑绝缘体最近因其边界处坚固的导电通道而闻名，即使材料有缺陷，这些通道仍保持原始状态
这种坚固性是非常诱人的，因为它可以用来使电子和光学设备更有效，通过保护电或电磁波的传输，不管制造误差或损坏
新发现的高阶拓扑绝缘体通过在边界的交叉处托管受保护的导电通道，增加了这个故事
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在角落而不是边缘，这可以极大地扩展稳健技术的可能性
“我们展示的新识别方法可以让科学家利用分数电荷特征明确地识别任何等级的拓扑绝缘体
最终，这将使基于拓扑材料的更高效、更耐用的设备的前景更加接近现实，”团队负责人高拉夫·巴赫尔说
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