Hvordan opvarmning af et kvantesystem kan bruges som en universel sonde til eksotiske stoftilstande

I fysiske videnskaber, visse størrelser vises som heltals multipla af fundamentale og udelelige elementer. Denne kvantisering af fysiske mængder, som er kernen i vores beskrivelse af naturen, gjort sin vej gennem århundreder, som det fremgår af det antikke koncept om atomet. Vigtigt, opdagelsen af ​​kvantificerede mængder er ofte blevet forbundet med en revolution i vores forståelse og forståelse af naturens lov, et slående eksempel er kvantiseringen af ​​lys i form af fotoner, hvilket førte til vores nutidige (kvantemekaniske) beskrivelse af den mikroskopiske verden.

Et internationalt team ledet af prof. Nathan Goldman, Det Naturvidenskabelige Fakultet, Université libre de Bruxelles, forudsiger en ny form for kvantiseringslov, som involverer en særskilt type fysisk observerbar:opvarmningshastigheden af ​​et kvantesystem ved ekstern rystning. For at forstå dette koncept, lad os først overveje et enklere analogt billede:Når en isterning anbringes i en mikroovn, sidstnævnte exciterer vandmolekylerne, hvilket fører til en progressiv smeltning af isen; under denne opvarmningsproces, antallet af molekyler, der danner isen, falder med tiden, en proces, der kan kvantificeres ved en opvarmningshastighed. I denne artikel, forfatterne demonstrerer, hvordan under særlige omstændigheder, sådanne opvarmningshastigheder skal opfylde en elegant og præcis kvantiseringslov. Specifikt, forfatterne forklarer, at dette fænomen finder sted, når et fysisk system, som oprindeligt danner en eksotisk tilstand af stof (en topologisk fase), opvarmes på en kontrolleret måde; ved opvarmning, partikler udstødes fra den topologiske fase (i direkte analogi med smeltningen af ​​is beskrevet ovenfor), og den tilsvarende opvarmningshastighed er vist at opfylde den førnævnte kvantiseringslov.

Et afgørende aspekt af denne nye kvantiseringslov er, at den er dikteret af den topologiske natur af den indledende fase af systemet, i direkte analogi med kvantiseringen af ​​konduktansen i faste stoffer. For at forstå denne analogi, vi minder om, at konduktansen, som bestemmer effektiviteten, med hvilken elektriske strømme genereres i et materiale, kan kvantiseres i form af et "konduktanskvante"; dette er signaturen på kvante Hall-effekten, som blev fejret med to nobelpriser, i 1985 og i 1998. Ganske overraskende, denne kvantisering af konduktans viste sig at være dybt forbundet med et grundlæggende matematisk begreb:topologi. Kort sagt, topologi har til formål at klassificere geometriske objekter efter deres mest elementære karakteristika, for eksempel, deres antal huller eller viklinger. Dette elegante forhold mellem den fysiske kvantisering af konduktans og det abstrakte topologibegreb åbnede døren til udforskningen af ​​en bred familie af eksotiske stoftilstande, de såkaldte topologiske faser, hvis opdagelse for nylig blev hædret af 2016 Nobelprisen i fysik. Opdagelsen rapporteret af det internationale hold ledet af prof. Goldman tilbyder således et nyt perspektiv på de spændende forbindelser mellem kvantiseringslove i fysik og topologi.

Udover elegancen af ​​denne nye kvantiseringslov for opvarmningshastigheder, denne opdagelse har en vigtig konsekvens:opvarmning af et kvantesystem kan bruges som en universel sonde for eksotiske tilstande af stof. Forfatterne foreslår en fysisk platform, der er særligt velegnet til dens eksperimentelle realisering:en ultrakold gas af atomer fanget i et optisk gitter (et periodisk landskab skabt af lys). Sådanne opstillinger er kendt for at udgøre en ideel værktøjskasse til kvanteteknologi af topologisk stof, men også, til implementering af nye typer målinger. I praksis, det foreslåede forsøg vil bestå i at forberede en topologisk fase, ved at lade en ultrakold gas ind i et optisk gitter, og ved efterfølgende at ryste dette gitter på en cirkulær måde; de resulterende opvarmningshastigheder ville så blive ekstraheret ved at måle antallet af atomer, der forblev i den topologiske fase efter en vis varighed af rystning.