研究人员扩展了方向性的概念并提出了一类新材料

通常希望将流量(无论是声音、电力还是热量)限制在一个方向，但自然发生的系统几乎不允许这样做。然而，在某些条件下确实可以设计单向流动，并且据说所得系统表现出手性行为。

手性的概念传统上仅限于一维的单向流动。然而，在 2021 年，与伊利诺伊大学香槟分校物理学教授泰勒休斯合作的研究人员引入了一种理论扩展，可以解释二维中更复杂的手性流。现在，由 Hughes 和 UIUC 机械科学与工程教授 Gaurav Bahl 领导的团队已经通过实验实现了这种扩展。正如研究人员在 Nature Communications 上报道的那样，他们构建了一个拓扑电路网络，这是一个模拟量子材料微观行为的电子系统，以探索由这种扩展或更高阶手性预测的全新行为。

“实际上，我们已经将单行道的概念概括为两个维度，”休斯说。“在二维空间中，并没有绝对意义上的某物以一种方式或另一种方式前进，但如果你随身携带一个固定的箭头，那么你仍然可以描述相对于该箭头的手征运动。”

事实上，更高级别的手性表现为粒子的流动方向和它携带的箭头或矢量的方向之间的锁定。对于这项研究，该团队专注于 rank-2 手性，其中流动被锁定为横向于粒子携带的动量矢量。该研究的主要作者、UIUC 物理学研究生朱鹏浩解释说：“在标准手性中，流动只能单向流动——比方说，向右流动。然而，一个二阶系统被设计成如果一个粒子的动量向上，它就会向右流动，如果动量向下，它就会向左流动。”

在 2021 年的研究中，Hughes 的小组提出了一种具有 2 级手性的量子材料系统，但他们的跨学科团队意识到他们可以用拓扑电路网络来探索该系统的行为。在这个平台上，手性是微观耗散或摩擦的结果，称为非密封性，它被设计为仅影响特定方向的流动，从而使不需要的流动迅速消失，只留下所需方向的流动。

Zhu 和博士后 Xiao-Qi Sun 设计了一个表现出所需非隐性的电路网络，他们与 Bahl 合作构建了这种“元”材料并进行了实验测量。Zhu 表示，该材料显示出手性系统的一个重要特征：非厄尔米特趋肤效应，其中强加的单向性使流动在系统边界上累积。

“此外，我们的实验展示了以前未曾探索过的新现象，例如角落定位，即流动在材料角落处积聚，”他说。“这对于 2 级手性来说是非常特殊的，并且在之前已经证明的任何皮肤效应中都看不到。”

更高阶手性提供的概括表明了一类新的设备可用于过滤流动和设计光束。Sun 设想了一种根据光子行进方向分离光子或光粒子的设备：如果只需要向右行进的光子，那么 2 级手性材料可以通过迫使它们进入不同的方向来移除向左传播的光子被丢弃的方向。

“这个想法的另一个有用的映射可以用于半导体电子设备，其中可以用电子完成新的和独特的过滤操作，”Bahl 说。“我们今天使用的几乎所有电子计算和通信设备都依赖于控制电子流。如果我们能够在微电子学中复制这种更高级别的手性行为，这是我们以前从未接触过的行为，它可能会带来一些变革性的新应用。”

Sun 补充说，研究更高阶系统的真正回报是更深入地了解什么是可能的。

他说：“通过设计和构建扩展我们理解的系统，我们正在朝着更普遍的宇宙迈出第一步。”