拓扑学在科学上有哪些应用?

什么是拓扑学?

拓扑是一个很难讨论的主题，但在这里我将开始写一篇(希望)有趣的文章。为了简化，拓扑学涉及到研究表面如何从一个改变到另一个。

从数学上讲，它很复杂，但这并不妨碍我们在物理世界中解决这个问题。挑战是一件值得遇到、处理和克服的好事。现在，我们开始吧。

改变光的旋转

多年来，科学家们已经有能力通过磁光效应来改变光的偏振，这种效应利用电磁学中的磁性部分，并施加外部磁场来选择性地吸引我们的光。我们通常使用的材料是绝缘体，但光线会发生变化内部材料。

随着拓扑绝缘体的出现(由于其内部的绝缘体性质，允许电荷在其外部几乎没有阻力地流动，而在外部则是导体)，这种变化发生在表面相反，根据维也纳大学固体物理研究所的工作。表面的电场是决定因素，光进入和离开绝缘体允许两种角度的变化。

最重要的是，发生的变化是量化这意味着它发生在离散的值而不是连续的物质中。事实上，这些步骤只是基于自然常数进行操作。绝缘体本身的材料不会改变这一点，表面的几何形状也不会改变(Aigner)。

Non-Scattered光

光和棱镜是一个有趣的组合，产生了许多我们可以看到和享受的物理现象。我们经常用它们把光分解成各个组成部分，从而产生彩虹。这种散射过程是由于不同波长的光被它们所进入的物质以不同的方式弯曲造成的。如果我们能让光旅行呢周围而是表面?

来自国际材料纳米建筑中心和国家材料科学研究所的研究人员用一种由光子晶体制成的拓扑绝缘体来实现这一目标，这种光子晶体是绝缘体或半导体硅纳米棒，在材料内部形成一个六角形晶格。表面现在具有电自旋，使光线不受其进入的折射材料的阻碍。通过拉近杆体来改变表面的大小，效果会得到改善(Tanifuji)。

拓扑层

在拓扑绝缘体的另一个应用中，来自普林斯顿大学、罗格斯大学和劳伦斯伯克利国家实验室的科学家们创造了一种层状材料，其中普通绝缘体(铟与硒化铋)与拓扑绝缘体(只有硒化铋)交替使用。通过改变用于开发每种绝缘体类型的材料，科学家们“可以控制类电子粒子(称为狄拉克费米子)在材料中的跳跃”。

通过改变铟能级来增加更多的拓扑绝缘体，可以减少电流流动，但使绝缘体变薄可以使费米子相对容易地隧穿到下一层，这取决于堆叠层的方向。这就创造了一个一维量子晶格，科学家可以将其微调成物质的拓扑相。有了这个设置，实验已经被设计用来寻找马约拉纳和Weyl费米子的性质(Zandonella)。

拓扑相变

就像我们的材料如何经历相变一样，拓扑材料也可以，但以一种更不寻常的方式。以BACOVO(或BaCo2V2O8)为例，这是一种本质上是一维的量子材料，它将自己排列成螺旋结构。来自日内瓦大学、格勒诺布尔阿尔卑斯大学、CEA和CNRS的科学家们使用中子散射深入研究了BACOVO所经历的拓扑激励。

通过利用它们的磁矩来干扰BACOVO，科学家收集了关于它所经历的相变的信息，并发现了一个惊喜:两个不同的拓扑机制同时起作用。它们相互竞争，直到只剩下一个，然后材料经历量子相变(Giamarchi)。

四重拓扑绝缘体

通常，电子材料要么带正电荷，要么带负电荷，因此存在偶极矩。另一方面，拓扑绝缘体具有四重矩，这导致了4个分组，子分组提供了四种电荷组合。

这种行为是通过使用具有平铺特性的电路板进行模拟来研究的。每块瓷砖都有四个谐振器(吸收特定频率的电磁波)，并在将板端到端放置时创建了一个类似晶体的结构，模拟拓扑绝缘体。每个中心就像一个原子，电路路径就像原子之间的键，电路的末端就像导体一样，完全扩展了比较。通过对这个装置施加微波，研究人员能够看到电子的行为(因为光子是电磁力的载体)。通过研究吸收最大的位置，该模式显示了预测的四个角，这只会由拓扑绝缘体(Yoksoulian)理论的四倍矩产生。

作品的引用

• Aigner,御马。“第一次测量到:由量子效应改变的光波方向。”Innovations-report.com．创新报告，2017年5月24日。2019年5月22日。
• Giamarchi,蒂埃里。“量子材料表面上的内在平静。”Innovations-report.com．创新报告，2018年5月8日。2019年5月22日。
• Tanifuji Mikiko。“发现一种新的光子晶体，光在其表面传播而不散射。”Innovations-report.com．创新报告，2015年9月23日。2019年5月21日。
• Yoksoulian,路易斯。“研究人员证明了电子物质新形式的存在。”Innovations-report.com．创新报告，2018年3月15日。2019年5月23日。
• Zandonella,凯瑟琳。“人工拓扑物质开辟了新的研究方向。”Innovations-report.com．创新报告，2017年4月6日。2019年5月22日。

©2020 Leonard Kelley