Disorder inducerer topologisk Anderson -isolator

Topologiske isolatorer (TI'er) er vært for eksotisk fysik, der kunne kaste nyt lys over de grundlæggende naturlove. Hvad mere er, de usædvanlige egenskaber ved TI'er holder et stort løfte for teknologiske applikationer, herunder inden for kvanteberegning næste generations miniaturiseret datalagring, og spintronics. Forskere rundt om i verden arbejder på at forstå de mikroskopiske egenskaber af disse materialer, der frit leder elektricitet langs deres kanter, selvom deres masse er en isolator.

Nu har et team af eksperimentelle fysikere ved University of Illinois i Urbana-Champaign foretaget den første observation af en bestemt type TI, der er forårsaget af uorden. Professor Bryce Gadway og hans kandidatstuderende Eric Meier og Alex An brugte atomisk kvantsimulering, en eksperimentel teknik, der anvender finjusterede lasere og ultrakølede atomer cirka en milliard gange koldere end stuetemperatur, for at efterligne de fysiske egenskaber ved endimensionelle elektroniske ledninger med præcis afstembar lidelse. Systemet starter med triviel topologi lige uden for en topologisk isolators regime; tilføjer uorden nudges systemet ind i den ikke -private topologiske fase.

Denne type topologisk isolator forårsaget af uorden kaldes den topologiske Anderson -isolator, opkaldt efter den kendte teoretiske fysiker og nobelpristager Philip Anderson, en alumnus fra University Laboratory High School på U of I campus. Overraskende, mens uorden typisk hæmmer transport og ødelægger ikke -lokal topologi, i dette system hjælper det med at stabilisere en topologisk fase.

Observationen blev muliggjort gennem tæt samarbejde med et internationalt team af teoretiske fysikere ved U of I, ved Institute of Photonic Sciences (ICFO), og ved Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) i Spanien, der belyste kvantefysikken på arbejdet og identificerede nøglesignaturen, eksperimentelisterne skulle lede efter i systemet.

Teoretisk fysiker Pietro Massignan fra UPC og ICFO kommenterer, "Intuitivt, man skulle tro, at uorden skulle spille imod konduktans. For eksempel, løb er let i et åbent felt, men bliver sværere og sværere, når man bevæger sig gennem en stadig tættere skov. Men her viser vi, at en passende skræddersyet lidelse faktisk kan udløse nogle særegne ledende ophidselser, kaldet topologisk beskyttede kanttilstande. "

Meier er hovedforfatter på papiret. "Interessant nok, "tilføjer han, "i et 3-D eller 2-D topologisk system, disse kanttilstande ville være karakteriseret ved frit flydende elektroner. Men i et 1D -system som vores, kantstaterne sidder simpelthen der, i hver ende af tråden. I enhver TI, grænsetilstande har dit systems dimensionalitet minus en. I vores 1D topologiske Anderson -isolator, grænsestaterne er dybest set bare punkter. Selvom grænsefysikken faktisk er lidt kedelig i dette system, der foregår en rig dynamik i hovedparten af ​​systemet, der er direkte relateret til den samme topologi-det er det, vi studerede. "

Gruppens eksperimentelle observation validerer begrebet topologiske Anderson -isolatorer, der blev udarbejdet for cirka et årti siden. Den topologiske Anderson -isolatorfase blev først teoretisk opdaget af J. Li et al. i 2009, og dens oprindelse blev yderligere forklaret af C. W. Groth, et al. samme år. Fem år senere, et par værker, et af A. Altland et al. og en af ​​gruppen Taylor Hughes ved U of I, der arbejder med gruppen af ​​Emil Prodan på Yeshiva University, forudsagde forekomsten af ​​den topologiske Anderson-isolator i endimensionale ledninger, som realiseret i de nye eksperimenter fra Gadway -gruppen.

Gadway understreger, "Vores inddragelse af denne forskning var virkelig inspireret af Taylor Hughes 'forudsigelse i 2014 og hans kandidatstuderende Ian Mondragon-Shem ved U. I. Taylor var en vigtig samarbejdspartner. På samme måde var vores kolleger i Spanien har ydet et enormt bidrag til at indføre begrebet gennemsnitlig kiral forskydning, som gør det muligt at måle topologien direkte i hovedparten af ​​materialet. "

"Arbejde med Taylor, "Gadway tilføjer, "vores spanske kolleger fandt ud af, at den gennemsnitlige kirale forskydning i det væsentlige svarer til den topologiske invariant af et sådant endimensionelt system, noget der hedder det snoede nummer. Dette var afgørende for, at vi kunne tage dataene på systemet og relatere det, vi så i eksperimentet, til systemets topologi. Dette var et projekt, hvor det var en stor hjælp at have et væld af teoretikere rundt, både for at udføre de rigtige målinger og for at forstå, hvad det hele betød. "

"Dette er et spændende resultat med hensyn til potentielle applikationer, "Gadway bekræfter." Dette tyder på, at vi muligvis kan finde virkelige materialer, der næsten er topologiske, som vi kunne manipulere gennem doping for at præge dem med disse topologiske egenskaber. Det er her, kvantesimulering giver en enorm fordel i forhold til rigtige materialer - det er godt at se fysiske effekter, der er meget subtile. Vores 'designer disorder' er præcis kontrollerbar, hvor i virkelige materialer, uorden er lige så rodet som det lyder - det er ukontrollabelt. "

"Gadways eksperimentelle setup er en teoretikeres drøm, "Tilføjer Massignan." Det var som at lege med LEGO:den model, vi forestillede os, kunne bygges trin for trin, i et rigtigt laboratorium. Hvert enkelt element af den Hamiltonian, vi havde i tankerne, kunne implementeres på en meget forsigtig måde, og ændret sig i realtid. "

ICFO postdoktorforsker Alexandre Dauphin tilføjer, "Denne platform er også meget lovende til at studere virkningerne af både interaktion og lidelse i topologiske systemer, hvilket kunne føre til spændende ny fysik. "

NSF -programdirektør Alex Cronin fører tilsyn med finansieringsprogrammet, der understøttede denne eksperimentelle indsats. Han påpeger vigtigheden af ​​denne grundforskning, der med succes anvender konstruerede kvantesystemer til at afdække ny fysik:"Inden vi får kvantecomputere i fuld skala til at studere en bred vifte af eksotiske systemer, vi har allerede kvantesimulatorer som denne, der giver resultater lige nu. Det er spændende at se nye opdagelser gjort med kvantesimulatorer som denne. "

Disse resultater blev offentliggjort online af tidsskriftet Videnskab på torsdag, 11. oktober, 2018. Efter at have indsendt deres arbejde til journalen, forskerne i denne undersøgelse har lært om den parallelle observation af det samme fænomen af ​​et andet forskerhold ved University of Rostock, Tyskland.

"Deres team brugte fotoniske bølgeledere til at efterligne de fysiske egenskaber ved den samme slags system, og de studerede egenskaber ved systemets grænse. Vi brugte kolde atomer og observerede bulkegenskaber for at få en virkelig klar visualisering af topologien, "Gadway siger." Disse to værker var komplementære, og sammen illustrerer de, hvordan forskellige fysiske systemer kan styres og fremstilles til at vise den samme slags interessante fænomener. "