Kvantesimuleringsteknik giver topologisk solitontilstand i SSH-model

Topologiske isolatorer, en spændende, relativt ny klasse af materialer, er i stand til at transportere elektricitet langs kanten af ​​overfladen, mens hovedparten af ​​materialet fungerer som en elektrisk isolator. Praktiske anvendelser af disse materialer er stadig for det meste et spørgsmål om teori, som videnskabsmænd undersøger deres mikroskopiske egenskaber for bedre at forstå den grundlæggende fysik, der styrer deres ejendommelige adfærd.

Ved hjælp af atomisk kvantesimulering, en eksperimentel teknik, der involverer finjusterede lasere og ultrakolde atomer omkring en milliard gange koldere end stuetemperatur, at replikere egenskaberne af en topologisk isolator, et team af forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign har for første gang direkte observeret den beskyttede grænsetilstand (den topologiske solitontilstand) for den topologiske isolator trans-polyacetylen. Transportegenskaberne af denne organiske polymer er typiske for topologiske isolatorer og for Su-Schrieffer-Heeger (SSH) modellen.

Fysik kandidatstuderende Eric Meier og Fangzhao Alex An, arbejder med adjunkt Bryce Gadway, udviklet en ny eksperimentel metode, en konstrueret tilgang, der giver holdet mulighed for at undersøge kvantetransportfænomener.

"Kvantesimulering giver mulighed for nogle unikke muligheder sammenlignet med direkte studier af elektrontransport i virkelige materialer, " forklarer Gadway. "En hovedfordel ved at bruge neutrale atomer er evnen til at manipulere dem efter behag gennem brug af laserlys og andre elektromagnetiske felter. Ved at ændre detaljerne i disse kontrolfelter, vi kan, for eksempel, tilføje skræddersyet lidelse for at studere lokaliseringsfænomener eller bryde symmetrier i systemet på en kontrolleret måde, gerne gennem indførelsen af ​​et stort effektivt magnetfelt. Det ultimative mål er at bruge sådan et velkontrolleret system i det regime, hvor partikler interagerer stærkt, og udforske nye fænomener, hvis opståen vi ikke ville have været i stand til at forudsige baseret på opførsel af enkelte atomer."

Teamets nye metode tager denne idé om systemdesign, eller "Hamiltonsk teknik, "til det yderste, giver forskerne mulighed for at kontrollere hvert enkelt element, der styrer transporten af ​​enkelte partikler.

"Denne særlige undersøgelse var vigtig, fordi vi for første gang viste, at vi kan bruge denne metode til at realisere topologisk ikke-trivielle systemer, og der er et stærkt løfte for den fremtidige realisering af interaktion, topologiske systemer af atomer." Meier kommenterer. "Vores er den første undersøgelse af denne art, der muliggør stedopløst påvisning af de topologiske grænsetilstande og sondering af deres struktur på en fasefølsom måde." Resultaterne offentliggøres i december 23, 2016 udgave af Naturkommunikation .

Su-Schrieffer-Heeger-modellen er lærebogsmodellen af ​​en topologisk isolator, viser de fleste af de fremtrædende træk forbundet med topologiske systemer - en topologisk fase med beskyttede grænsetilstande og en isolerende systemmasse. I konjugerede polymerer som polyacetylen, den topologiske solitontilstand er forbundet med den dimeriserede struktur af skiftende enkelt- og dobbeltbindinger langs molekylets rygradskæde. Beskyttede elektroniske tilstande dukker op ved grænsen mellem regioner med modsat skiftende rækkefølge, og giver anledning til nogle unikke transportegenskaber, inklusive en stigning i elektrisk ledningsevne med omkring ni størrelsesordener under let doping med urenheder.

An forklarer, "Nogle af de mest interessante aspekter af topologiske systemer er ret subtile eller er afhængige af finjustering af systemparametrene. Konstruerede kvantesystemer - kolde atomer, fotoniske simulatorer, superledende qubits, osv. — er bedre rustet til at udforske disse typer af fænomener. Grunden til dette er, at de generelt er fri for den iboende lidelse, både materialeforstyrrelser og termiske udsving, det ville være svært at undgå i et konventionelt kondenseret stofsystem."

Holdets nye teknik lover yderligere undersøgelser af topologiske systemers grundlæggende adfærd. Yderligere eksperimenter er allerede i gang, udvidelse af dette arbejde til todimensionelle kvante Hall-type systemer og udforskning af topologiske isolatorer i nærvær af uorden.

"Det interessante aspekt af vores undersøgelse er, at vi var i stand til direkte at observere de topologiske grænsetilstande for dette system og undersøge dem på en fasefølsom måde med atomfysiske teknikker, Gadway opsummerer. "Fremtidige eksperimenter, ens i vene, men i et lidt anderledes eksperimentelt system, kunne give mulighed for udforskning af stærkt korrelerede transportfænomener, der er utilgængelige ved klassisk simulering. Det største mål for vores gruppe i den nærmeste fremtid er at observere indflydelsen af ​​atomare interaktioner i et sådant system. I særdeleshed, det faktum, at vores atomer danner en interagerende kvantevæske, giver dem mulighed for naturligt at understøtte lokale interaktioner i det konstruerede modelsystem. Vi håber meget snart at undersøge indflydelsen af ​​disse interaktioner."