Forståelse af isolatorer med ledende kanter

Isolatorer, der leder ved deres kanter, lover et interessant teknologisk anvendelsesområde. Imidlertid, indtil nu er deres egenskaber ikke blevet fuldt ud forstået. Fysikere ved Goethe Universitet har nu modelleret det, der kaldes topologiske isolatorer ved hjælp af ultrakølede kvantegasser. I det aktuelle nummer af Fysisk gennemgangsbreve , de demonstrerer, hvordan kanttilstande kunne opdages eksperimentelt.

Forestil dig en skive lavet af en isolator med en ledende kant, langs hvilken en strøm altid strømmer i samme retning. "Dette gør det umuligt for en kvantepartikel at blive hæmmet, fordi tilstanden for at flyde i den anden retning simpelthen ikke eksisterer, "forklarer Bernhard Irsigler, undersøgelsens første forfatter. Med andre ord:i kanttilstand, strømmen flyder uden modstand. Dette kunne bruges, for eksempel, at øge mobilenheders stabilitet og energieffektivitet. Der forskes også i, hvordan man bruger dette til at konstruere lasere, der er mere effektive.

I de seneste år, topologiske isolatorer er også blevet produceret i ultrakølede kvantegasser for bedre at forstå deres adfærd. Disse gasser opstår, når en normal gas afkøles til temperaturer mellem en milliontedel og milliarddel af en grad over det absolutte nul. Dette gør ultrakølede kvantgasser til de koldeste steder i universet. Hvis der også produceres en ultrakold kvantegas i et optisk gitter lavet af laserlys, gasatomerne arrangerer sig lige så regelmæssigt som i krystalgitteret af et fast stof. Imidlertid, i modsætning til et fast stof, mange parametre kan varieres, gør det muligt at studere kunstige kvantetilstande.

"Vi kalder det gerne en kvantesimulator, fordi denne form for system afslører mange ting, der finder sted i faste stoffer. Ved hjælp af ultrakølede kvantegasser i optiske gitter, vi kan forstå den grundlæggende fysik for topologiske isolatorer, "forklarer medforfatter Jun-Hui Zheng.

En signifikant forskel mellem en fast og en kvantegas, imidlertid, er, at de skyformede gasser ikke har definerede kanter. Så hvordan bestemmer en topologisk isolator i en ultrakold gas, hvor dens kanttilstande er? Forskerne i professor Walter Hofstetter forskergruppe ved Institut for Teoretisk Fysik ved Goethe Universitet besvarer dette spørgsmål i deres undersøgelse. De modellerede en kunstig barriere mellem en topologisk isolator og en normal isolator. Dette repræsenterer kanten af ​​den topologiske isolator, langs hvilken den ledende kanttilstand dannes.

"Vi demonstrerer, at kanttilstanden er karakteriseret ved kvantekorrelationer, der kan måles i et eksperiment ved hjælp af et kvantegasmikroskop. Harvard University, MIT og Max-Planck-instituttet for kvanteoptik i München udfører alle disse målinger, "siger Hofstetter. Et kvantgasmikroskop er et instrument, hvormed individuelle atomer kan påvises i forsøg." For vores arbejde, det er kritisk, at vi eksplicit tager hensyn til interaktionen mellem partiklerne i kvantegassen. Det gør undersøgelsen mere realistisk, men også meget mere kompliceret. De komplekse beregninger kunne ikke udføres uden en supercomputer. Det tætte samarbejde med førende europæiske forskere inden for rammerne af DFG Research Unit 'Artificial Gauge Fields and Interacting Topological Phases in Ultracold Atoms' er også af særlig betydning for os, "Tilføjer Hofstetter.