Forskere afslører første kvantesimulering af 3D-topologisk stof med ultrakølede atomer

Fysikere fra Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) og Peking University (PKU) har med succes skabt verdens første 3D-simulering af topologisk stof bestående af ultrakølede atomer. Tidligere forsøg på topologiske stofsimuleringer var begrænset til lavere dimensioner, på grund af udfordringer om, hvordan man karakteriserer 3D-båndstopologi i atomsystemer. Dette gennembrud åbner mulighed for yderligere at undersøge nyt topologisk stof, der ikke kan realiseres godt i faste stoffer. Sådan aldrig før udført konstruktion af kunstigt materiale med ultrakølede atomer kan nu give fysikere mulighed for at modellere usædvanlige faser af stof.

Prof. Gyu-Boong Jo, Lektor fra Institut for Fysik ved HKUST samarbejdede med Prof. Xiong-Jun Liu, Professor fra School of Physics på PKU og udtænkte en kunstig krystalgitterstruktur, tidligere foreslået af PKU -gruppen, at modellere ultrakølede atomer fremstillet ved 30 milliarder af en grad over absolut nul. Dette nye syntetiske kvantemateriale er et 3-D spin-kredsløb koblet nodal-line topologisk semimetal, og udviser en fremvoksende magnetisk gruppesymmetri. Forskerne korrelerede atomspinnet med atombevægelsens retning, hvilket gjorde den samlede atomadfærd topologisk. Med en sådan symmetri beviste forskerne, at 3D-båndets topologi kan løses ved kun at afbilde 2-D spin-mønstre på de symmetriske planer, og yderligere med succes observeret 3D-topologisk semimetal i eksperiment. De påvisningsteknikker, der bruges her, kan generelt anvendes til at undersøge alle 3D-topologiske tilstande med lignende symmetrier, når de bliver tilgængelige.

Undersøgelsen blev for nylig offentliggjort online i Naturfysik den 29. juli, 2019.

Kompleks topologisk stof er blevet fokus for både industriel og akademisk forskning, fordi det ses som en måde at bane vejen til at gøre kvanteberegning mere støjfri og robust. Dagens fysiske kvantecomputere larmer stadig, og kvantefejlkorrektion er et voksende forskningsfelt. Målet med fejltolerant kvanteberegning har drevet investeringer i komplekst topologisk stof.

Topologisk stof er klassificeret efter de geometriske egenskaber ved kvantetilstanden i materiale. Materialets topologiske karakter betyder, at det har en tendens til at modstå fejl i et operativsystem og også rummer potentialet for andre endnu ukendte eksotiske egenskaber.

"Vores arbejde åbner op for mange muligheder for at udvikle nye topologiske materialer, der ikke forekommer naturligt, "sagde prof. Jo." Denne udvikling viser, at der er en ny mulighed for at udforske komplekst topologisk materiale i 3D, og vil give en nyttig platform til kvantesimulering. "

"Dette er et gennembrud for kvantesimulering med ultrakølede atomer, "sagde professor Liu." Det muliggør eksperimentel undersøgelse og observation af ikke -private faser af alle fysiske dimensioner, herunder forskellige isolerende, halvmetal, og superfluide faser med ikke -privat topologi i ultrakølede atomer. "