研究人员对被称为四极拓扑绝缘体的新材料阶段进行了“人类规模”的演示，这是最近由理论物理学预测的。这些是第一个验证理论的实验结果。

研究人员在《自然》杂志上报道了他们的发现。

该团队与QTI的合作源于十年来对一类被称为拓扑绝缘体的材料特性的理解。机械与工程教授、高级研究员Gaurav Bahl说：“TI是内部的电绝缘体，也是沿着它们边界的导体，可能有很大的潜力帮助建造低功耗、功能强大的计算机和设备，所有这些都是在原子尺度上定义的。”。

TI不寻常的特性使其成为一种特殊形式的电子物质。“电子的集合可以在材料中形成自己的相。这些可能是我们熟悉的固相、液相和气相，比如水，但它们有时会形成不寻常的相，更像TI，”合著者、物理学教授泰勒休斯(Taylor Hughes)说。

休斯说，TI通常存在于晶体材料中，其他研究也证实了TI阶段存在于天然存在的晶体中，但仍有许多理论预测有待证实。

一个这样的预测是，有一种新型的具有电特性的钛被称为四极矩。物理学研究生弗拉基米尔本纳卡扎尔说：“电子是物质中携带电荷的单个粒子。“我们发现晶体中的电子可以排列在一起，这不仅可以产生偶极单位电荷——即正负电荷对——还可以产生高阶多极子，其中四个或八个电荷被收集成一个单位。这些高阶类别中最简单的成员是四极子，其中两个正电荷和两个负电荷耦合在一起。”

目前，用原子设计原子是不可行的，更不用说控制电子的四极行为了。相反，该团队使用印刷电路板制作的材料来构建可操作的QTI模拟。每个电路板都有一个由四个相同谐振器组成的模块——这些谐振器吸收特定频率的电磁辐射。电路板排列成网格图案，以创建完整的晶体模拟。

“每个谐振器代表一个原子，它们之间的连接代表原子之间的连接，”主要作者、电气工程研究生基特彼得森(Kit Peterson)说。“我们将微波辐射应用到系统中，并测量每个谐振器吸收多少，这告诉我们电子在类似晶体中的行为。谐振器吸收的微波辐射越多，就越有可能在相应的原子上找到电子。”

研究人员说，这使得这个QTI的细节而不是TI是谐振器之间连接细节的结果。

“QTI的边缘并不像你在典型TI中看到的那样导电，”Bahl说，“但是拐角是活跃的，也就是边缘的边缘，它类似于四个局部点电荷形成所谓的四极矩。正如泰勒和弗拉基米尔预测的那样。”

Peterson说：“我们测量了QTI吸收的每个谐振器的微波辐射，在精确的频率范围内确认了谐振状态，并将其精确定位在角落。”“这表明存在预测的受保护状态，这些状态将被电子填充，形成四个角电荷。”

在这个新阶段，电子材料的那些角落可能能够存储用于通信和计算的数据。“使用我们的‘人体尺度’模型似乎不现实，”休斯说。“但是，当我们在原子尺度上考虑QTI时，执行计算和信息处理的设备可能有很大的可能性，甚至达到我们今天可以达到的规模。”

研究人员说，实验和预测之间的一致性使科学家意识到QTI的物理特征足够实用。

休斯说：“作为理论物理学家，弗拉基米尔和我可以预测这种新形式物质的存在，但迄今为止，我们还没有发现任何含有这些物质的物质。“与工程师合作有助于将我们的预测变为现实。”

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