Tidskrystaller og topologiske superledere smelter sammen

"At drive en topologisk superleder ved hjælp af en tidskrystal giver dig mere end summen af ​​dens dele, "siger Jason Alicea, en forsker ved California Institute of Technology (Caltech) i USA. Opdagelsen af ​​topologiske tilstande har skabt en række forskningsresultater, der afslører nyt kondenseret stof og kvantefysik, med potentielle teknologiske anvendelser inden for spintronik og kvantecomputere. Tilsvarende ikke længe efter de første observationer af topologiske isolatorer i slutningen af ​​2000'erne, begreberne tidskrystaller opstod, introducerer endnu en frisk arena for at udforske ny fysik, der kunne udnyttes i præcis tidtagning og kvanteteknologier.

Nu, Alicea, sammen med Aaron Chew, også hos Caltech, og David Mross ved Weizmann Institute i Israel, melde ind Fysiske anmeldelsesbreve teoretiske undersøgelser af systemer, der sammensmelter de to fænomener. "Sammenfletningen mellem tidskrystallinitet og topologisk fysik genererer et interessant twist på excitationer, der forfølges for fejltolerant kvanteberegning, "tilføjer Alicea.

Hvad er topologiske materialer?

Forskerne var heldige at snuble over disse systemer som noget af en "lykkelig ulykke" under undersøgelser Chew og Mross udførte på topologiske superledere, en type af en hel familie af materialer, der er vokset frugtbart i løbet af de sidste 10 til 20 år. Teorien om topologiske materialer er baseret på begrebet egenskaber af topologier (såsom formen af ​​en doughnut eller kugle), der er invariante under jævne transformationer. Et typisk eksempel på sådanne glatte transformationer er forvandlingen af ​​en doughnut til en kaffekop - kuglen kan ikke forvandle sig til en doughnut eller en kaffekop uden at lave et snit til hullet eller håndtaget, hvilket ville gøre forvandlingen ikke længere glat.

I en topologisk isolator, egenskaber forbundet med elektronbølgefunktionen er topologisk invariante. Det, der gør dem interessante, er grænsefladen mellem topologiske og almindelige isolatorer. Ved at krydse denne grænse, bølgefunktionen skal undergå en ændring, der kan føre til ledende kant- eller overfladetilstande ved grænsen, der er symmetribeskyttet af bevarelse af partikelnummer og tidsomvendt symmetri, hvilket gør dem særligt robuste over for forstyrrelser. Dette kunne give mulighed for mere robuste qubits, for eksempel.

Siden den første observation af en 2-D topologisk isolator i 2007, 3-D topologiske tilstande er kommet frem i lyset, hvor iboende spin-kredsløbskobling træder i stedet for magnetfeltet, samt topologiske superledere og fotoniske og magnetiske analoger. Kataloger er siden dukket op og afslører den næsten allestedsnærværende topologiske materialer i naturen. Den ekstraordinære frugtbarhed af dette felt førte til tildelingen af ​​2016 Nobelprisen i fysik til David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane, og J. Michael Kosterlitz "for teoretiske opdagelser af topologiske faseovergange og topologiske faser af stof."

Hvad er tidskrystaller?

Omkring 2012, overvejelser om systemer, der har samme slags periodicitet i tid, som observeres i rummet i konventionelle krystaller, vakte interesse for ideen om tidskrystaller - "pæne faser af stof, som fysikere har lært meget om i løbet af de sidste mange år, "Alicea fortæller Phys.org. I en konventionel krystal, en kontinuerlig translationssymmetri er brudt i den laveste energitilstand, giver plads til en diskret periodisk symmetri. Når man ser tid som en fjerde koordinat af rum-tid, det virker naturligt at lede efter en sådan symmetri, der bryder i tid, såvel. Imidlertid, at definere tidskrystaller blot i form af denne symmetribrud løber ind i problemer med tvetydigheder med hensyn til energi, samt svingninger i nogle trivielle systemer, der ville gøre betegnelsen "tidskrystal" meningsløs.

I en nylig anmeldelse af Vedika Khemani ved Harvard og Stanford University i USA, Roderich Moessner ved Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme i Tyskland og Shivaji Sondhi ved Princeton i USA, tidskrystaller var mere begrænsede. Udtrykket gjaldt kun for lokalt afgrænsede Hamilton-systemer med ikke-triviel tidsafhængighed over asymptotisk lange tider, der opfylder yderligere krav til de indledende betingelser for at definere en fase af stof med translationel tidssymmetribrud. Dette begrænser de Hamiltonske systemer, der kan give anledning til tidskrystaller til mange-krops lokaliserede og periodisk drevne såkaldte Floquet-systemer.

Hvad forbinder de to?

Chew og Mross var især interesserede i "ikke-abiske nogen", der kan eksistere i topologisk ordnede faser. En anyon er en partikel, der hverken er en fermion eller en boson, mens ikke-Abelian refererer til adfærd, der kan beskrives i form af operationer, der fører til forskellige resultater afhængigt af rækkefølgen. Et klassisk eksempel på "ikke-kommuterende" operationer kan være en rotation gennem 90 grader omkring en akse og derefter en vinkelret akse.

I superledende systemer, der findes kvasipartikler kendt som Majorana-fermioner, en type fermion, der er dens egen antipartikel som først antaget af Ettore Majorana i 1937. Når den er bundet til en defekt, de resulterende nul-energi Majorana-tilstande har ikke-abelske statistikker, der kunne give en topologisk kvantecomputers anyon-byggesten med qubits, der er meget mere stabile end dem, der er baseret på fangede kvantepartikler.

Chew og Mross undersøgte, hvordan man kunne etablere en forbindelse mellem ikke-Abelske defekter i 2-D topologisk ordnede faser og dem, der kan opstå i strengt 1-D fermionsystemer. Alicea forklarer, at undersøgelsen førte dem til opdagelsen af, at det er muligt at berige topologiske superledere ved at koble dem til kontrollerbare magnetiske frihedsgrader. "Så indså vi, at ved at forvandle disse magnetiske frihedsgrader til en tidskrystal, topologisk superledelse reagerer på bemærkelsesværdige måder, " siger Alicea.

Tidskrystallinske topologiske superledere

I deres seneste arbejde, Alicea, Chew og Mross overvejer at koble Cooper-elektronparrene i en 1-D topologisk superleder til tidskrystallinske Ising-spin, hvor Ising-spindene vender efter hver periode. Da det tager to perioder for Ising-spindene at nå deres oprindelige tilstand, de betragtes som tidskrystallinske Ising-spin med fordoblet periodicitet.

Hvis en 1-D fri-fermion topologisk superleder, der hoster Majorana endetilstande, med jævne mellemrum drives, "Floquet Majorana-tilstande" vises, transporterer energi relateret til halvdelen af ​​kørefrekvensen. I en af ​​observationerne fra deres analyse af tidskrystallinske topologiske superledere, Alicea, Chew og Mross afslører firdoblet periodicitet i "Floquet Majorana-tilstande." De foreslår også forsøgsordninger til implementering og detektering af disse systemer.

"Det er fristende at forestille sig at generere nogle nyttige kvanteoperationer ved at kontrollere de magnetiske frihedsgrader, der fletter sig sammen med den topologiske fysik. Eller måske kan visse støjkanaler undertrykkes ved at udnytte tidskrystaller, " siger Alicea. Fremtidigt arbejde kan undersøge, om disse systemer også kan forekomme i 2-D og 3-D materialer. "Eksistensen af ​​tidskrystaller, imidlertid, er et subtilt emne uden for 1-D, " tilføjer Alicea. "Det er stadig interessant, selvom, at spørge, om man kan realisere højere-dimensionelle analoger af vores 1-D tidskrystallinske topologiske superleder. De lever måske kun i en begrænset tid, men den tid kan være tilstrækkelig lang til at observere ny fysik."

© 2020 Science X Network