Quantum tricks til at afsløre hemmelighederne ved topologiske materialer

Elektroner er ikke bare små kugler, hopper gennem et materiale som en gummikugle. Lovene i kvantefysikken fortæller os, at elektroner opfører sig som bølger. I nogle materialer, disse elektronbølger kan antage temmelig komplicerede former. De såkaldte "topologiske materialer" producerer elektronstater, der kan være meget interessante til tekniske applikationer, men det er ekstremt svært at identificere disse materialer og deres tilhørende elektroniske tilstande.

TU Wien (Wien) og flere forskergrupper fra Kina har nu udviklet nye ideer og implementeret dem i et eksperiment. En "krystal" lavet af lysbølger er skabt til at holde atomer i et helt specielt geometrisk mønster. Disse "lette krystaller", som er blevet brugt på forskellige måder til manipulation af atomer, kan nu bruges til bevidst at drive systemet ud af ligevægt. Ved at skifte mellem enkle og komplicerede tilstande, systemet afslører, om det har topologisk interessante tilstande eller ej. Disse resultater er nu blevet offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Brødruller og donuts

Topologiens betydning kan let ses, hvis vi pakker for mange ting i en indkøbspose:en brødrulle kan blive lidt knust og presset til en form, der ligner en banan. Brødruller og bananer har den samme grundlæggende geometriske struktur, topologisk er de ens. På den anden side, en doughnut har et hul i midten - dens topologi er anderledes. Selvom det er lidt presset, dens form kan stadig let skelnes fra brødrullen.

"Det er det samme med kvantetilstande, "forklarer prof. Jörg Schmiedmayer fra Wien Center for Quantum Science and Technology (VCQ) ved TU Wien." Kvantestater kan have en ikke -privat topologi, der beskytter dem med hensyn til visse forstyrrelser. Det er det, der gør dem så interessante for teknologi, fordi du altid skal håndtere forstyrrelser i hvert eksperiment og i enhver teknologisk applikation i den virkelige verden. "I 2016, Nobelprisen i fysik til forskning blev uddelt for forskning i topologiske materielle tilstande, men det betragtes stadig som ekstremt svært at afgøre, om et bestemt materiale tillader topologisk interessante kvantetilstande.

"Kvantetilstande, der ikke er i ligevægt, ændrer sig hurtigt, "siger Jörg Schmiedmayer." Denne dynamik er notorisk svær at forstå, men som vi har vist, det er en fantastisk måde at få ekstremt interessant information om systemet. "Schmiedmayer samarbejdede med forskerhold fra Kina." Eksperimentet blev ledet af prof. Shuai Chen, i forskergruppen til prof. Jian-Wei Pan. Begge var engang samarbejdspartnere i min gruppe i Heidelberg, og lige siden deres tilbagevenden til Kina, vi har arbejdet tæt sammen, "siger Schmiedmayer. TU Wien og det kinesiske universitet for videnskab og teknologi (USTC, Heifei, Kina) underskrev en samarbejdsaftale i 2016, hvilket styrker forskningssamarbejdet, især inden for fysik.

En ubalance, der afslører materialegenskaber

Ved hjælp af forstyrrende lysbølger, atomer kan holdes på foruddefinerede steder, skabe et regelmæssigt gitter af atomer, ligner en krystal, atomerne indtager elektronernes roller i en krystal i fast tilstand. Ved at ændre lyset, atomarrangementets geometri kan skiftes, for at undersøge, hvordan elektronstaterne ville opføre sig i et ægte solid state -materiale.

"Med denne ændring, pludselig genereres en massiv ubalance, "siger Jörg Schmiedmayer." Kvantetilstandene skal omarrangere og nærme sig en ny ligevægt, meget gerne bolde, der ruller ned af en bakke, indtil de finder ligevægt i dalen. Og i løbet af denne proces kan vi se klare signaturer, der fortæller os, om topologisk interessante tilstande skal findes eller ej. "

Dette er en vigtig ny indsigt for forskning i topologiske materialer. Man kunne endda tilpasse de kunstige lyskrystaller til at simulere visse krystalstrukturer og for at finde nye topologiske materialer.