Undersøgelse afslører den ustabile karakter af nogle topologiske faser

I de seneste år, fysikere verden over har gennemført undersøgelser, der har undersøgt egenskaberne og dynamikken i topologiske faser af stof, der kunne muliggøre udvikling af kvanteindretninger og andre nye teknologier. Nogle af disse faser understøttes af det, der kaldes tidsomvendt symmetri (TRS) af mikroskopiske naturlove.

Forskere ved University of Cambridge har for nylig vist, at nogle topologiske faser beskyttet af TRS grundlæggende er ustabile mod kobling til deres omgivende miljø. Deres fund, beskrevet i et papir udgivet i Naturfysik , fremhæve en række udfordringer, der kan være forbundet med brugen af ​​topologiske systemer til udvikling af kvanteteknologier.

"Vi har været interesseret i visse faser af stof kendt som topologiske faser, som har tiltrukket stor opmærksomhed for nylig på grund af deres foreslåede applikationer inden for kvantebaserede teknologier, "Max McGinley, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "I særdeleshed, nogle topologiske faser menes at være i stand til at lagre kvanteinformation på en måde, der er naturligvis robust over for eventuelle ufuldkommenheder, der uundgåeligt opstår i forsøg, hvilket gør dem potentielt nyttige til kvanteberegning. "

De fleste eksisterende teoretiske argumenter, der retfærdiggør robustheden af ​​topologiske faser over for eksperimentel støj, overvejer ikke, at i reelle implementeringer, disse systemer kan interagere med deres omgivelser på uventede måder. Med det i tankerne, McGinley og hans kollega Nigel R. Cooper satte sig for at undersøge, om topologiske systemer stadig fungerer godt, når de bruges til at udvikle kvantehukommelsesenheder og i nærvær af eksterne "miljø" -effekter. Deres indledende fund peger på et generelt princip, der kunne gælde for alle topologiske faser, snarere end specifikt til dem, der muliggør lagring af kvanteinformation.

"Vi viste, at der er en bestemt klasse af topologiske faser (kendt som tidsomvendt symmetribeskyttede topologiske faser), der bliver ustabile, når de interagerer med miljøet omkring dem og derfor ikke kan udnyttes i den virkelige verden, "Sagde McGinley." Meget af vores analyse var baseret på virkningerne af symmetrier i kvantemekanik, som er centrale for teorien om topologiske faser. "

Symmetrier begrænser naturligvis de processer, der kan eller ikke kan forekomme i fysiske systemer. I topologiske systemer, for eksempel, en bestemt symmetri kan forhindre, at kvanteinformation går tabt.

De mere konventionelle former for symmetrier, der findes i naturen, er dem, der er relateret til rumlige koordinater. For eksempel, en firkant har en symmetri under en rotation på 90 grader omkring dens centrum. TRS er en mere subtil type symmetri, der opstår inden for et dynamisk systems fysiske beskrivelse. I det væsentlige, TRS betyder, at i et fysisk system, fysikkens love ser det samme ud, når tiden løber frem og tilbage.

"Mærkeligt, denne symmetri afspejles ikke i de store objekter, vi møder i vores hverdag (dvs. systemer, der består af rigtig mange mikroskopiske partikler), "McGinley forklarede." F.eks. en varm kop kaffe vil køle af med tiden, men en kold kop kaffe vil ikke spontant varme op. Vi indså, at denne forskel mellem symmetrierne i naturens grundlæggende love og symmetrierne i komplekse systemer med mange partikler (f.eks. Din kop kaffe) også viser sig i topologiske systemer. De topologiske faser, der er afhængige af tidsomvendt symmetri, er dem, der er ustabile af nøjagtig de samme årsager. "

Undersøgelsen fremhæver de mulige begrænsninger ved brug af TRS-beskyttede topologiske systemer til at udvikle kvanteteknologier. Mere specifikt, forskerne observerede, at nogle topologiske faser er langt mindre robuste over for miljøstøj, end hvad eksisterende teorier forudsiger.

"En pessimist kan se dette som dårlige nyheder for feltet, "Sagde McGinley." Men vores opfattelse er, at vores resultater kan hjælpe dem, der arbejder med at omsætte topologiske systemer i praksis. Efter at have identificeret hvilke topologiske faser der er ustabile, fremtidig opmærksomhed kan fokuseres på dem, der kan, i princippet, være beskyttet mod disse negative miljøvirkninger. "

Det nye princip gælder for alle topologiske faser, men forskerne har hidtil primært undersøgt det i sammenhæng med kvantehukommelser eller anden kvanteteknologi. I deres næste undersøgelser, de planlægger at teste og studere det samme princip i forhold til andre applikationer.

"For eksempel, nogle topologiske faser forventes at have interessante elektriske konduktansegenskaber, men eksperimenter viser ikke den samme robusthed, som man kunne forvente baseret på aktuelle teorier, "Sagde McGinley." Måske kunne de ideer, vi har afdækket her, bruges til at forklare nogle aspekter af disse eksperimenter. "

© 2020 Science X Network