Fysikere kvantesimulerer topologiske materialer med ultrakolde atomer

Symmetri spiller en grundlæggende rolle i forståelsen af ​​komplekst kvantestof, især ved klassificering af topologiske kvantefaser, som har tiltrukket sig store interesser i det seneste årti. Et fremragende eksempel er den tids-reverserende invariante topologiske isolator, en relativt ny klasse af materialer med ejendommelige elektroniske egenskaber, der er velforstået som et symmetribeskyttet topologisk (SPT) materiale.

I en nylig undersøgelse, et internationalt hold af eksperimentelle og teoretiske fysikere ved Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) og Peking University (PKU) rapporterede observation af en SPT-fase for ultrakolde atomer ved hjælp af atomisk kvantesimulering. Dette arbejde åbner vejen for at udvide omfanget af SPT-fysik med ultrakolde atomer og studere ikke-ligevægts kvantedynamik i disse eksotiske systemer.

Deres resultater blev offentliggjort i tidsskriftet Videnskabens fremskridt den 23. feb. 2018.

Formerne på objekter kan klassificeres baseret på topologi. En eksotisk fase af kvantestof kan forstås med underliggende topologi og symmetri i fysiske materialer. Holdet skabte en syntetisk krystal til ultrakolde atomer og emulerer for første gang nøgleegenskaber af et endimensionelt (1-D) topologisk materiale ud over den naturlige tilstand. De ultrakolde atomer er 1 milliard gange mere fortyndede end faste stoffer, men muliggør studiet af kompleks fysik, fordi de er ekstremt uberørte og kontrollerbare.

Klassificering af topologiske kvantefaser har skabt en grundlæggende forestilling om SPT-faser, som er eksotiske tilstande under beskyttelse af symmetrier, og i høj grad udvide vores forståelse af kvantestoffets grundlæggende natur. Alligevel, langt kun en lille del af teoretisk forudsagte SPT-faser er blevet opdaget i faststofmaterialer, hovedsageligt på grund af kompliceret og ukontrollerbart miljø af faststofmaterialer, som giver store udfordringer i realiseringen.

"Vores arbejde forudsagde i teorien en ny type SPT-fase, som er ud over den traditionelle klassificering baseret på ti-fold måder, og observerede i eksperimentet en sådan eksotisk tilstand i en konstrueret syntetisk krystal med ultrakolde atomer, " sagde Xiong-Jun Liu, adjunkt ved Peking University og medforfatter til papiret. "Dette arbejde er faktisk den første eksperimentelle realisering af en SPT-fase for ultrakolde atomer, som åbner en masse muligheder for at simulere og sondere ny SPT-fysik, " tilføjede Prof Liu.

Dette arbejde tager faktisk kvantesimuleringen af ​​topologisk stof til det næste niveau, hvilket kan føre til dramatiske fremskridt inden for materialevidenskab og kvanteteknologi.

"I øvrigt, på grund af fordelene ved fuld kontrol, vi forventer, at det nuværende arbejde vil fremskynde fremtidige studier i ultrakolde atomeksperimenter af interagerende SPT-faser, som er bredt diskuteret i teorien, men meget svære at undersøge i faststofmaterialer, " forklarede Gyu-Booong Jo, adjunkt ved HKUST Institut for Fysik og medforfatter til papiret.