Topologisk fase detekteret i spin-kæder

I nogle materialer er der faser, hvor en overgang ikke er mulig, fordi de er beskyttet af en vis form for symmetri. Fysikere omtaler disse som topologiske faser. Et eksempel på dette er Haldane-fasen, opkaldt efter 2016 Nobelprisvinderen i fysik Duncan Haldane, som forekommer i antiferromagnetiske spin-1-kæder. Et team af forskere ved MPQ er nu lykkedes med at realisere denne eksotiske tilstand af stof i et simpelt system af ultrakolde atomer. Ved hjælp af et kvantegasmikroskop bragte de atomspindene i den ønskede form, målte systemets egenskaber og fandt dermed den skjulte indre orden typisk for Haldane-fasen. Deres resultater er offentliggjort i Nature .

Ethvert stof opstår i forskellige faser, som kan smelte ind i hinanden. Et eksempel på dette er vand, som findes i flydende form, som is eller damp – afhængigt af de ydre forhold. De forskellige fysiske faser har samme kemiske sammensætning, men forskellig grad af indre orden. Hvis temperaturen eller trykket ændres, skifter vandet for eksempel til en anden fase på et bestemt tidspunkt. Men i nogle materialer er der faser, mellem hvilke en overgang ikke er mulig, fordi de er beskyttet af en bestemt form for symmetri - en egenskab ved systemet, der således forbliver uændret, for eksempel under en refleksion eller rotation. Kun ved at bryde symmetrien er en faseovergang mulig. Fysikere omtaler dette som topologiske faser, hvis undersøgelser i de senere år har ført til en dybere forståelse af strukturen af ​​kvantesystemer.

Måling af Haldane-fasen

Hidtil har sådanne egenskaber næsten kun været tilgængelige i teoretiske modeller og beregninger eller gennem indirekte målinger på faste stoffer. Men nu er det lykkedes et team af forskere ved Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) i Garching at generere en speciel, eksemplarisk type topologisk fase i laboratoriet og analysere den eksperimentelt. Forskerne i MPQ Department of Quantum Many-Body Systems, ledet af Prof Dr. Immanuel Bloch og Dr. Timon Hilker, skabte en såkaldt Haldane-fase. Den er opkaldt efter den britiske fysiker Duncan Haldane, som beskrev topologiske faser af kvantesystemer for første gang og modtog Nobelprisen i fysik for det i 2016 sammen med to andre forskere.

Haldane fokuserede blandt andet sin opmærksomhed på den mulige eksistens af en topologisk fase i en kæde af antiferromagnetiske spin-1-partikler. Et spin er en kvantemekanisk egenskab ved en partikel såsom elektroner eller atomer, som på en enkel måde kan tolkes som partiklens vinkelmoment, når den roterer om sin egen akse. I et antiferromagnetisk materiale foretrækker spindene, at andre spins har en anden rotationsretning i deres umiddelbare nærhed.

Dette kan føre til en periodisk bestilling af spins, som dog er usynlig i spin-1 systemer i klassiske målinger. Den teoretiske forudsigelse sagde, at der ikke desto mindre er en ordre, men at den er "skjult". For at opdage det, skal alle spins måles individuelt og samtidigt - hvilket ikke er muligt i faste stoffer. Men forskerne ved MPQ brugte kunstige materialer, hvor spindene er meget længere fra hinanden. Deri producerede de en spin-1-kæde med de egenskaber, der er beskrevet af Haldane.

Tricket med spin-parrene

»Det har indtil nu været svært at indse,« siger Sarah Hirthe. Derfor er ph.d. kandidat ved MPQ, sammen med sin kollega Dominik Bourgund og andre medlemmer af Garching-teamet, tyede til et trick:"Vi skabte en spin-1-kæde på en indirekte måde ved at bygge den op fra spins med værdien ½, hvoraf vi tilføjet to hver,« forklarer Bourgund. På denne måde blev der skabt celler med heltalsspin, der var linet op i en kæde.

For at realisere denne specielle struktur brugte holdet et såkaldt kvantegasmikroskop. En sådan enhed kan for eksempel bruges til at studere de magnetiske egenskaber af individuelle atomer, der tidligere har været arrangeret på en bestemt måde. Forskerne taler derfor også om en kvantesimulator, med hvilken stof er kunstigt konstrueret ud fra dets elementære byggesten. "For at gøre dette bruger vi stående bølger af laserlys, der danner en slags gitter for atomer," forklarer Sarah Hirthe. Dette gitter formes derefter til den ønskede form ved hjælp af yderligere lasere og utallige små, bevægelige spejle.

"Til eksperimenterne på den topologiske Haldane-fase placerede vi atomer i sådan et todimensionelt optisk gitter," rapporterer fysikeren. "I et vakuum og ved en temperatur tæt på det absolutte nulpunkt arrangerede atomerne sig så nøjagtigt på den måde, som lyset dikterede." Forskerne valgte en gitterstruktur, der gav atomerne, sammen med deres spins, formen af ​​en stige - med to "ben" og "trin" imellem. "Trinnene på disse såkaldte Fermi-Hubbard-stiger forbandt hver to atomare spin for at danne enhedsceller med spin 1," forklarer Dominik Bourgund. "I dette arrangement brugte vi et koncept kendt i teoretisk fysik som AKLT-modellen."

En atomstige med 'dinglende' kantspin

"Højdepunktet ved eksperimentet var, at vi skræddersyede systemets kanter specielt," siger Hirthe:Kvantestigens to ben var forskudt fra hinanden af ​​et atom. På denne måde kunne atomernes halvheltals spin kombineres i en diagonal offset for at danne enhedsceller. Konsekvensen af ​​denne form:individuelle spins uden en direkte partner "dinglede" i begge ender af systemet - kaldet kanttilstande i teknisk jargon. "Sådanne spins og deres magnetiske momenter kan antage forskellige orienteringer uden yderligere energitilførsel," forklarer Dominik Bourgund. På denne måde giver de systemet karakteristiske egenskaber baseret på den særlige symmetri - Haldane-fasens typiske kendetegn. Til sammenligning skabte Max Planck-forskerne også en "triviel" topologisk fase uden kanttilstande.

For at analysere karakteristikaene af de to faser målte forskerne magnetiseringen af ​​både de individuelle spins og hele systemet af alle atomer langs en mental streng under kvantegasmikroskopet. Kun på denne måde var det muligt at finde den forudsagte "skjulte" indre orden. "Vores resultater bekræfter de forventede topologiske egenskaber af både det overordnede system og kanttilstandene," bemærker Timon Hilker, som leder projektet. "Dette viser:Vi har gjort den komplekse struktur tilgængelig for målinger gennem et simpelt system."

Solid grundlag for kvanteberegning?

Max Planck-forskerne har med deres resultater ikke kun lagt grundlaget for eksperimentelt at verificere teoretiske forudsigelser om topologiske faser. Deres nye resultater kan også finde praktisk anvendelse i fremtiden - i kvantecomputere. Deres funktion er baseret på "qubits", fundamentale computerenheder i form af kvantetilstande. Manglen i den tekniske realisering indtil videre er deres lave stabilitet:hvis qubits mister deres værdi, går dataene også tabt. Hvis de kunne repræsenteres af topologiske faser, som er ret robuste over for ekstern interferens på grund af deres tætte forbindelse til en fundamental symmetri, kunne dette væsentligt forenkle beregningen med en kvantecomputer. + Udforsk yderligere

Kvantemagneter i bevægelse