Første gang nogensinde direkte observation af kirale strømme i quantum Hall atom-simulering

Ved hjælp af en atomisk kvantesimulator, forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign har opnået den første nogensinde direkte observation af kirale strømme i modellen topologisk isolator, 2-D heltal quantum Hall-systemet.

Topologiske isolatorer (TI'er) er uden tvivl den mest lovende klasse af materialer opdaget i de seneste år, med mange potentielle applikationer teoretiseret. Det er fordi TI'er udviser en særlig kvalitet:Materialets overflade leder elektricitet, mens hovedparten fungerer som en isolator. I løbet af det sidste årti, forskere har grundigt undersøgt de mikroskopiske egenskaber af TI'er, for bedre at forstå den grundlæggende fysik, der styrer deres særegne adfærd.

Atomisk kvantesimulering har vist sig at være et vigtigt værktøj til at undersøge egenskaberne ved TI'er, fordi det giver forskere større kontrol og større muligheder for at udforske regimer, der i øjeblikket ikke er tilgængelige i virkelige materialer. Fint afstemte laserstråler bruges til at fange ultrakølede rubidiumatomer (cirka en milliard gange koldere end stuetemperatur) i en gitterstruktur, der præcist simulerer strukturen af ​​ideelle materialer.

Alex An, en fysikstuderende, der arbejder under adjunkt Bryce Gadway i Illinois, er hovedforfatter af undersøgelsen, "Direkte observation af kirale strømme og magnetisk refleksion i atomstrømgitter, "for nylig udgivet i Videnskab fremskridt .

Det 2-D-heltal kvante Hall-system i virkelige materialer er kendetegnet ved et magnetfelt, der får elektroner til at lave lukkede baner-såsom en simpel lukket firkantet bane omkring fire steder i et todimensionalt firkantet gitter-for at erhverve et faseskift kendt som en Aharonov-Bohm-fase. Størrelsen af ​​dette faseskift afhænger af styrken af ​​det magnetiske felt, der er omsluttet af banen.

En forklarer, "Både i det elektroniske system og i vores simulerede system, magnetiske felter giver anledning til utrivelig topologi:mens partikler i hovedparten af ​​systemet undergår kredsløb omkring celler med fire steder, kantpartiklerne kan ikke undergå hele kredsløb og i stedet flyde cyklisk rundt om kanten af ​​hele systemet, skaber chirale strømme. Disse mikroskopiske fænomener fører til en makroskopisk kvantiseret konduktans, som er blevet målt i materialer som grafen og i 2D elektrongasser baseret på halvleder heterostrukturer. "

Til denne undersøgelse, teamet udviklede en ny atom-kvante-simuleringsteknik, der gjorde det muligt for forskerne direkte at observere de kirale strømme for første gang nogensinde. Forskerne anvendte omkring et dusin lasere til at fange og afkøle rubidiumatomer til nano-Kelvin-temperaturer. Dernæst konfigurerede de ultrakølede atomer i et periodisk gitter, i præcis analogi med elektroner i den periodiske krystalstruktur af et rigtigt materiale. Derefter, ved hjælp af deres nye teknik, forskerne manipulerede det syntetiske magnetfelt for at observere elektronernes opførsel.

"Mens andre forskere, der arbejder inden for atom-molekylær-optisk fysik, skaber dette gitter i det virkelige rum, vi forbinder i stedet atommomentstater for at skabe et gitter, der ikke er i en reel, fysisk dimension, men i en 'syntetisk' dimension, eller momentumplads, "En differentierer." Vi forbinder disse tilstande ved hjælp af et par laserstråler, der kan bibringe foton momentum til atomerne i diskrete bundter. "

En fortsætter med at forklare, hvordan denne nye tilgang giver større kontrol over gitterparametrene på det enkelte stedniveau, giver forskerne mulighed for at konstruere faser på atomerne, når de rejser mellem gitterstederne.

"Med tilføjelsen af ​​et andet par laserstråler, vi skaber en fuldt syntetisk, 2-D gitter af momentum angiver, "fortsætter han, "På grund af vores sted-løste kontrol over gitteret, vi kan anvende forskellige syntetiske magnetiske strømninger til hver celle med fire steder. Så hvor tidligere undersøgelser har konstrueret todimensionelle systemer med en real-space dimension og en syntetisk dimension, vores fuldt syntetiske tilgang giver os mulighed for at gøre et par unikke ting.

"Først, vi har evnen til at skabe homogene såvel som inhomogene fluxmønstre-sidstnævnte kan i øjeblikket ikke opnås i real-space-systemer. For det andet, vi demonstrerer evnen til hurtigt og let at justere fluxen af ​​et homogent felt over hele fluxværdierne-dette er nu opnået i en real-space opsætning, på omtrent samme tid som vores arbejde. Og endelig, vores nye teknik muliggør direkte lokalitetsopløst observation af kirale strømme. Direkte observation af de underliggende kirale strømme har ikke været mulig i virkelige materialer. "

I undersøgelsen af ​​homogen flux, teamet observerede de kirale strømme af et homogent kunstigt magnetisk felt for hele området af anvendte fluxværdier (-π til π). En positiv flux fik overfladeatomer til at strømme med uret rundt i systemet, og en negativ flux fremkaldte en modsætning, flow mod uret. Det konstruerede system gjorde det muligt for teamet hurtigt og let at indstille den anvendte flux over hele spektret af fluxværdier, ud over rækkevidden af ​​konventionelle materialer og med mere alsidighed end atomsystemer i det virkelige rum.

Derefter, i den inhomogene fluxundersøgelse, teamet konstruerede en skarp forskydning i det kunstige magnetfelt ved at kombinere dette topologisk ikke -private system med et topologisk trivielt område med nulstrømning. De observerede, at atompopulationen afspejlede sig fra grænsen mellem disse to regioner, med maksimal refleksion ved den største forskel i flux. En mere traditionel refleksion, som en bold, der hopper ud af en væg, kræver et skift i det potentielle energilandskab. Imidlertid, denne magnetiske refleksion sker udelukkende på grund af forskellen i topologi. Dette fænomen ville være meget svært at studere med andre atomsystemer, og ville i det væsentlige være umuligt at studere i ægte elektronisk materiale. "For et rigtigt elektronisk materiale, at konstruere en sådan trinlignende stigning i magnetisk flux ville kræve et spring i magnetfeltstyrker med 104 Tesla over blot et par angstrom - en vanvittig situation, som vi dog kan simulere ved hjælp af et kontrolleret atomsystem, "siger Gadway.

A understreger, at mens TI'er har enorme konsekvenser for fremtidige applikationer inden for teknologi, dette er grundforskning, og disse fund vil ikke umiddelbart gå ind i en enhed i lommeformat som en smartphone.

"Vi håber at kaste mere lys over lignende fænomener i virkelige materialer ved at studere dem i vores atomsystem, "deler An." Heltal kvante Hall -effekten, som vi studerer i dette arbejde, er præget af makroskopiske fænomener som kvantiseret konduktans, der er blevet undersøgt i virkelige materialer, men det underliggende, mikroskopiske kirale kanttilstande, der giver anledning til disse fænomener, har været uden for rækkevidde af virkelige materialer - men ikke uden for rækkevidde af vores system! Tilsvarende vi håber at få mere indsigt i de underliggende funktioner i mere komplekse systemer, drevet af et grundlæggende ønske om at forstå og som en måde til i sidste ende at konstruere virkelige materialer, der viser de samme egenskaber. "

I fremtidige undersøgelser, teamet planlægger at konstruere systemer med lignende todimensionelle geometrier, med mere komplekse topologiske træk.

"Et af disse systemer består af to koblede topologiske ledninger som dem, der blev omtalt i vores tidligere arbejde med Su-Schrieffer-Heeger-modellen. Gruppen af ​​Smitha Vishveshwara har forudsagt, at ved at tilføje specifik lidelse til dette system, vi kan muligvis undersøge det undvigende Hofstadter -sommerfuglespektrum. Vi håber også at studere en ny type 'multipolisolator' system, der for nylig blev foreslået af Wladimir Benalcazar, Taylor Hughes, og samarbejdspartnere. Dette system ville være karakteriseret ved topologiske hjørnetilstande, der bærer fraktioneret kvantiseret ladning. "