วัสดุที่เรียกว่าฉนวนทอพอโลยีมีคุณสมบัติผิดปกติของการนำไฟฟ้าบนพื้นผิวแม้ว่าจะเป็นฉนวนภายในก็ตาม ถ้านั่นไม่แปลกพอ นักฟิสิกส์ได้ทดลองแล้วว่าวัสดุดังกล่าวสามารถดำรงอยู่ในมิติเชิงพื้นที่สี่มิติ นักวิจัยซึ่งมีฐานอยู่ในสิงคโปร์และสหราชอาณาจักร ประสบความสำเร็จโดยการเดินสายไฟกองแผงวงจรไฟฟ้าเพื่อเป็นตัวแทนของโครงตาข่ายที่เชื่อมต่อกันอย่างสูงและกล่าวว่าโครงร่างของ
พวกเขาสามารถขยายได้ถึงห้าหรือหกมิติ
ความสำคัญของโทโพโลยีสามารถเห็นได้โดยการเปรียบเทียบลักษณะเชิงพื้นที่ของทรงกลมกับโดนัท เป็นไปไม่ได้ที่จะแปลงร่างเป็นอีกชิ้นหนึ่งโดยค่อยๆ เปลี่ยนรูปร่างของพวกมัน ไม่มีการยืด การบีบ หรือการบิดเบี้ยวอื่นๆ จะทำให้โดนัทกลายเป็นทรงกลม และในทางกลับกัน การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวสามารถเกิดขึ้นได้จากการกระทำอย่างกะทันหันและไม่ต่อเนื่องเท่านั้น เช่น การใส่หรือถอดรู
แนวคิดที่คล้ายคลึงกันสนับสนุนโทโพโลยีฉนวน แต่การเปลี่ยนแปลงในกรณีนี้ไม่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติเชิงพื้นที่ของวัสดุ แต่จะเกี่ยวข้องกับฟังก์ชันคลื่นของอิเล็กตรอนที่ไหลในวัสดุแทน สิ่งเหล่านี้ประกอบด้วยสิ่งที่มีผลเป็นปม ทำให้ไม่สามารถแปลงฉนวนทอพอโลยีให้เป็นฉนวนปกติได้อย่างราบรื่น วัสดุต้องกลายเป็นโลหะก่อน ซึ่งหมายความว่าขอบเขตทางกายภาพของวัสดุกับโลกภายนอกนั้นนำไฟฟ้า แม้ว่าปริมาณมากจะเป็นฉนวนก็ตาม
ปรากฏการณ์นี้เคยพบเห็นมาแล้วในสองมิติและสามมิติ ในกรณีก่อนหน้านี้ ซึ่งพบครั้งแรกในปี 2550และคล้ายกับเอฟเฟกต์ควอนตัมฮอลล์ วัสดุที่เป็นปัญหาประกอบด้วยระนาบฉนวนที่มีกระแสไฟฟ้ามิติเดียวไหลรอบขอบ กรณีหลัง ซึ่งตรวจพบตั้งแต่ปี 2551 เป็นต้นไป เห็นกระแสน้ำไหลเป็นช่วง ๆ ทั่วพื้นผิวของฉนวนขนาดใหญ่ ในทั้งสองกรณี กระแสจะเกิดขึ้นเมื่อการหมุนของอิเล็กตรอนโต้ตอบกับการเคลื่อนที่ในวงโคจรของมันขณะเดินทางผ่านอวกาศ กระแสน้ำเหล่านี้ยังคงมีอยู่แม้ว่าขอบหรือพื้นผิวที่เกี่ยวข้องจะผิดรูป
เหนือกว่าสามมิตินักทฤษฎีบอกเราว่าฉนวนทอ
พอโลยีควรมีอยู่ในมิติที่สูงกว่าด้วย อันที่จริง ก่อนหน้านี้นักวิจัยได้สังเกตพวกมันในสี่มิติ แต่พวกเขาทำโดยการจับคู่ระบบ 4D กับ 2D งานล่าสุดเกี่ยวข้องกับการสร้างฉนวนทอพอโลยี 4 มิติโดยตรงซึ่งทำหน้าที่เป็นฉนวนมาตรฐานเมื่อถูกจำกัดให้เหลือสามมิติหรือน้อยกว่า และแสดงคุณสมบัติที่แปลกใหม่เมื่อขยายไปยังส่วนที่สี่เท่านั้น
ฉนวน 4D ใหม่นี้ใช้แบบจำลองที่วาดขึ้นโดย Hannah Price แห่งมหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮม และได้รับการทดลองจริงโดยทีมงานที่นำโดย Yidong Chong จากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีนันยาง ในการสร้างฉนวน ทีมงานอาศัยโครงสร้างเทียมที่เรียกว่า metamaterial การสร้าง metamaterial นี้เกี่ยวข้องกับการสร้างออสซิลเลเตอร์ไฟฟ้าหลายสิบตัวจากตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำ จากนั้นจึงจัดเรียงพวกมันในกริดบนแผงวงจรหลายตัวที่วางซ้อนกัน Chong กล่าว เนื่องจากออสซิลเลเตอร์แต่ละตัวมีพฤติกรรมเหมือนอะตอมเทียม ระบบโดยรวมทำหน้าที่เหมือนคริสตัลซึ่งกระแสไฟฟ้าสามารถไหลผ่านได้
สองชุดสี่ตารางสี่เหลี่ยมจุด ชุดด้านซ้ายมีจุดสีแดงเข้มที่ขอบของตาราง แสดงถึงกระแสสูง ชุดขวามีจุดสีเหลืองถึงสีส้มอ่อนกว่าตลอด แสดงถึงกระแสไฟต่ำ (สถานะฉนวน) ผลกระทบพื้นผิวข้อมูลการทดลองแสดงคลื่นที่ไหลภายใน metamaterial แนวคิดคือการต่อออสซิลเลเตอร์เพื่อให้พวกมันทำงานด้วยไฟฟ้าเหมือนในสี่มิติ ถึงแม้ว่าพวกมันจะนั่งอยู่ในโลก 3 มิติของเราจริงๆ ตามที่ Chong อธิบาย สิ่งนี้จะเป็นไปไม่ได้หากออสซิลเลเตอร์แต่ละตัวเชื่อมโยงกับเพื่อนบ้านที่ใกล้ที่สุดเท่านั้น แต่สามารถเพิ่มมิติพิเศษในแถวออสซิลเลเตอร์หนึ่งมิติได้
โดยการเชื่อมโยงแต่ละออบเจ็กต์เหล่านั้น
กับอีกสองออบเจ็กต์บนและล่าง แนวคิดนี้สามารถอนุมานได้ ดังนั้นในการเชื่อมต่อพื้นที่ 3D ที่นอกเหนือไปจากเพื่อนบ้านที่ใกล้ที่สุด (หกคน) จะสร้างวงจรที่ทำงานราวกับว่ากำลังนั่งอยู่ในพื้นที่ 4 มิติ
การคาดการณ์การทดสอบเพื่อทดสอบระบบของพวกเขา Chong และเพื่อนร่วมงานได้ส่งพัลส์แรงดันไฟฟ้าผ่านวงจร พวกเขาพบว่าเมื่อวงจรถูกต่อสายตามแบบจำลองของ Price พัลส์เหล่านั้นจะแพร่กระจายเป็นคลื่นผ่านจุดเชื่อมต่อที่สร้างขึ้นเพื่อสร้าง “พื้นผิว” 3 มิติของวัสดุ แต่ไม่ได้อยู่ในกลุ่ม 4D พวกเขายังตั้งข้อสังเกตอีกว่าการปรับแต่งส่วนประกอบวงจรอาจทำให้คลื่นหายไปจากพื้นผิวได้ ดังนั้นการเปลี่ยนวัสดุให้เป็นฉนวนที่ตรงไปตรงมา
ตามที่ช่องกล่าว นักวิทยาศาสตร์เคยคิดว่ามันเป็นไปไม่ได้ที่จะตระหนักถึงระบบ 4D ดังกล่าวจากการทดลอง “เชื่อกันว่าเป็นเพียงจังหวัดของการศึกษาเชิงทฤษฎีเท่านั้น” เขากล่าว “เคล็ดลับที่นี่คือเราไม่ได้ใช้วัสดุจริง แต่เป็นวัสดุสังเคราะห์”
Krzysztof Sacha จากมหาวิทยาลัย Jagiellonian ในโปแลนด์ ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการวิจัยนี้ คิดว่างานดังกล่าวเป็นลางดีสำหรับการใช้งานที่เป็นไปได้ของฉนวนทอพอโลยี เนื่องจากสถานะพื้นผิวยังคงไม่บุบสลายแม้ว่าส่วนประกอบจะมีค่าความจุและการเหนี่ยวนำที่ไม่ชัดเจน “ความแข็งแกร่งของระบบทอพอโลยีต่อการก่อกวนดังกล่าวมีแนวโน้มที่ดีจากมุมมองของการใช้งานในอนาคตที่การคำนวณควอนตัมเป็นหนึ่งในผู้สมัครที่สำคัญที่สุด” เขากล่าว
ฉนวนทอพอโลยีคืออะไร?Price กล่าวว่างานวิจัยชิ้นนี้จะไม่นำไปใช้กับคอมพิวเตอร์ควอนตัมเนื่องจาก metamaterial ที่ใช้เป็นระบบคลาสสิกล้วนๆ ที่ไม่สามารถรองรับการพัวพันได้ แต่เธอให้เหตุผลว่างานนี้เป็นการปูทางให้กับระบบอื่นๆ ในมิติที่สูงกว่า “มีข้อเสนอแนะว่าสิ่งเจ๋งๆ บางอย่างอาจเกิดขึ้นได้ใน 5D และ 6D” เธอกล่าว
Chris Hooley จาก University of St Andrews ในสหราชอาณาจักรยังคิดว่าไม่น่าเป็นไปได้ที่ระบบเฉพาะนี้จะมีการนำไปใช้ในทันที แต่เขาเห็นด้วยว่าในระยะยาว เทคโนโลยีจะได้รับประโยชน์ “แนวคิดทั่วไปที่ว่าสถานะพื้นผิวที่ได้รับการปกป้องอาจใช้ในการคำนวณควอนตัมมีมาระยะหนึ่งแล้ว” เขากล่าว “และระบบประเภทนี้ทำให้เรามีสถานะพื้นผิวที่ได้รับการปกป้องรูปแบบใหม่ ดังนั้นไม่มีใครรู้!”
Credit : greenteagallery.net hassegawa.net hdpaperwall.net henryxp.net hotelsnearheathrowairport.net
