عایق‌های توپولوژیک در صورت استفاده در مقیاس بزرگ‌تر، می‌توانند دنیای قطعات الکترونیک را متحول کنند.

پژوهشگران موفق به تولید شکلی از فاز جدید ماده موسوم به عایق توپولوژیک چهارقطبی یا QTI شده‌اند؛ پدیده‌ای که وجود آن اخیرا با استفاده از روابط فیزیک تئوری پیش‌بینی شده بود. پژوهش اخیر به‌منزله‌ی اولین یافته‌های تجربی برای اعتباردهی به این نظریه است.

 کار این گروه پژوهشی در مورد موضوع فوق با اتکا به QTI، از درک ده سال گذشته‌ی دانشمندان از خواص گروهی از مواد به‌ نام عایق‌های توپولوژیک سرچشمه گرفته است. گاراو بال، پروفسور علوم و مهندسی مکانیک و پژوهشگر ارشد، می‌گوید:

 عایق‌های توپولوژیک در واقع ساختاری با خاصیت نارسانایی الکتریکی در بخش داخلی و رسانایی در قسمت مرزی هستند و ممکن است دارای توانایی بالقوه‌ای برای کمک به ساخت کامپیوترها و دستگاه‌های کم‌مصرف و توانمند در مقیاس اتمی باشند.

 خصوصیات غیر معمول عایق‌های توپولوژیک، آن‌ها را به یک شکل خاص از ماده‌های الکترونیکی تبدیل کرده است. تیلور هیوز، استاد فیزیک و یکی از نویسندگان مقاله پژوهشی، می‌گوید:

دسته‌هایی از الکترون‌ها می‌توانند فازهای خود را درون مواد تشکیل دهند. این فازها می‌تواند به‌صورت فازهای شناخته‌شده و متداول جامد، مایع و گاز (مثل آب که به هر سه حالت وجود دارد) باشند؛ اما گاهی اوقات ممکن است شاهد تشکیل فازهای غیر معمولی همانند عایق‌های توپولوژیک (TI) باشیم.

 هیوز همچنین اشاره می‌کند که TI-ها به‌طور معمول در مواد بلوری موجود هستند و بررسی‌های دیگر هم تأیید کرده‌اند که فازهای TI در بلورهای طبیعی موجودند؛ با این حال پیش‌بینی‌های نظری بسیاری وجود دارند که باید تأیید شوند.

 یکی از این پیش‌بینی‌ها مربوط وجود نوعی جدید از عایق‌های توپولوژیک با خاصیت الکتریکی منحصربه‌فردی به‌ نام گشتاور چهارگانه یا چهارقطبی بود. ولادیمیر بنالکازام، دانش‌آموخته‌ی عالی فیزیک، می‌گوید:

 الکترون‌ها ذرات منفردی هستند که بار الکتریکی را در یک ماده حمل می‌کنند. ما دریافتیم که الکترون‌ها در کریستال‌ها می‌توانند به‌صورت جمعی به‌گونه‌ای آرایش یابند که نه‌تنها برای بار واحدهای دوقطبی (جفت شدن بارهای مثبت و منفی) بلکه برای چندقطبی‌های مرتبه‌ی بالاتر هم مناسب باشند. در چندقطبی‌های مرتبه بالاتر، چهار یا هشت بار ‌می‌توانند در کنار هم در یک واحد یکپارچه آورده شوند. ساده‌ترین عضو از این رده‌های مرتبه‌ی بالاتر همان چهارقطبی‌های متشکل از جفت‌شدگی دو بار مثبت و دو بار منفی هستند.

 مثالی از گشتاور یا ممان چهارقطبی الکتریکی از نوع خطی

در حال حاضر امکان دستکاری مهندسی یک اتم با استفاده از اتم دیگر را نداریم؛ چه برسد به اینکه توان کنترل رفتار چهارقطبی الکترون‌ها را داشته باشیم. گروه پژوهشی در عوض، یک مقیاس قابل اجرا از QTI را با استفاده از ماده‌ی ایجادشده از صفحه‌ی مدار چاپی به‌ وجود آورند. هر صفحه‌ی مدار، دربردارنده‌ی مربعی از چهار رزوناتور (تشدیدگر) یکسان است. تشدیدگر‌ در اینجا دستگاهی است که تابش الکترومغناطیسی را در یک فرکانس خاص جذب می‌کند. صفحه‌ها در یک الگوی شبکه‌ای چیده می‌شوند تا بتوانند یک ساختار تمام‌آنالوگ کریستالی ایجاد کنند.

 کیت پترسون، نویسنده‌ی اصلی مقاله‌ی پژوهشی و مهندسی برق، در این خصوص می‌گوید:

هر تشدیدگر در نقش یک اتم عمل می‌کند و ارتباطات بین آن‌ها به‌عنوان پیوند بین اتم‌ها رفتار می‌کنند. ما تابش مایکروویو را به سیستم اعمال و میزان جذب شدن آن توسط تشدیدگر را اندازه‌گیری می‌کنیم و این اندازه‌گیری به ما در مورد شناخت نحوه‌ی رفتار الکترون‌ها در یک کریستال مشابه کمک می‌کند. هر اندازه که تابش مایکروویو بیشتری توسط رزوناتور جذب شود، به‌همان میزان احتمال بیشتری برای پیدا شدن یک الکترون در آن اتم وجود خواهد داشت.

 پژوهشگران اظهار می‌کنند جزئیاتی که این پدیده را به یک عایق توپولوژیک چهارقطبی (QTI) و نه یک عایق توپولوژیک متداول (TI) بدل می‌کند، حاصل وجود ارتباطات خاصی میان رزوناتورها است. بال می‌گوید:

 لبه‌های QTI، مانند آنچه در TI معمولی دیده می‌شوند، رسانا نیستند. آن‌ها درعوض فقط دارای گوشه‌های فعالی هستند؛ یعنی بخش‌هایی از لبه‌ها. آن‌ها از این جهت با چهار بار نقطه‌ای متمرکز تشابه دارند؛ چیزی که اکنون به‌نام گشتاور چهارقطبی می‌شناسیم. یافته‌ی اخیر کاملا منطبق بر پیش‌بینی‌ تیلور و ولادیمیر است.

 پترسون می‌گوید:

 ما میزان جذب تابش مایکروویو توسط هر رزوناتور در QTI را اندازه‌گیری کردیم و واقع شدن حالت‌های رزونانس در محدوده‌ی دقیق فرکانسی و درست در گوشه‌ها را مورد تأیید قرار دادیم. این روند پیش‌بینی‌های موجود در مورد حالت‌های حفاظت‌شده‌ی پرشده با الکترون‌ها برای شکل دادن بارهای چهار گوشه را تلویحا تأیید می‌کرد.

 بارهای واقع در گوشه‌های این حالت جدید از ماده‌ی الکترونیکی ممکن است توانایی ذخیره‌ی داده‌ها برای ارتباطات و محاسبات گوناگون را داشته باشند. هیوز گفت:

شاید استفاده از مدل مقیاس انسانی برایمان چندان واقع‌گرایانه نباشد. با این حال، هنگامی که در مورد QTI در مقیاس اتمی فکر می‌کنیم، امکان‌ها و احتمالات فراوانی برای کاربرد در دستگاه‌های محاسباتی و پردازش اطلاعات خود را نشان می‌دهند؛ حتی گاهی در مقیاس‌هایی که امروزه برایمان می‌تواند در دسترس باشد.

 پژوهشگران اظهار می‌کنند که سازگاری آزمایش آن‌ها و پیش‌بینی‌های قبلی، نویدبخش این نکته است که دانشمندان رفته‌رفته به درک کافی از QTI به‌منظور استفاده‌های عملی می‌رسند. هیوز اشاره می‌کند:

ولادیمیرر و من به‌عنوان فیزیکدانان نظری، می‌توانیم وجود این شکل جدید ماده را پیش‌بینی کنیم؛ اما تاکنون هیچ ماده‌ای پیدا نشده است که این ویژگی ها را داشته باشد. همکاری با مهندسان، پیش‌بینی ما را به واقعیت تبدیل کرد.

 بنیاد ملی علوم و دفتر تحقیقات دریایی ایالات متحده از این مطالعه پشتیبانی کرده بودند.