Forskning afslører en overraskende topologisk vending i kvantesystemer

I princippet skal man ikke sammenligne æbler med appelsiner. Men i topologien, som er en gren af ​​matematikken, skal man gøre netop det. Æbler og appelsiner, viser det sig, siges at være topologisk ens, da de begge mangler et hul - i modsætning til for eksempel donuts eller kaffekopper, der begge har et (håndtaget i tilfælde af koppen), og dermed er topologisk lige.

På en mere abstrakt måde kan kvantesystemer i fysik også have en specifik æble- eller donuttopologi, som viser sig i partiklernes energitilstande og bevægelse. Forskere er meget interesserede i sådanne systemer, da deres topologi gør dem robuste over for uorden og andre forstyrrende påvirkninger, som altid er til stede i naturlige fysiske systemer.

Ting bliver særligt interessante, hvis derudover partiklerne i et sådant system interagerer, hvilket betyder, at de tiltrækker eller frastøder hinanden, ligesom elektroner i faste stoffer. At studere topologi og interaktioner sammen i faste stoffer er imidlertid ekstremt vanskeligt. Et team af forskere ved ETH ledet af Tilman Esslinger har nu formået at detektere topologiske effekter i et kunstigt fast stof, hvor interaktionerne kan slås til eller fra ved hjælp af magnetiske felter.

Deres resultater, som vises i Science , kunne bruges i kvanteteknologier i fremtiden.

Transport efter topologi

Zijie Zhu, en ph.d. studerende i Esslingers laboratorium og førsteforfatter til undersøgelsen, og hans kolleger konstruerede det kunstige faste stof ved hjælp af ekstremt kolde atomer (fermioniske kaliumatomer), som blev fanget i rumligt periodiske gitter ved hjælp af laserstråler. Yderligere laserstråler fik energiniveauerne for tilstødende gittersteder til at bevæge sig op og ned med jævne mellemrum, ude af synkronisering i forhold til hinanden.

Efter nogen tid målte forskerne atomernes positioner i gitteret, i første omgang uden interaktioner mellem atomerne. I dette eksperiment observerede de, at doughnut-topologien af ​​energitilstandene forårsagede, at partiklerne blev transporteret af et gittersted, altid i samme retning, ved hver gentagelse af cyklussen.

"Dette kan forestilles som en skrues handling," siger Konrad Viebahn, Senior Postdoc i Esslingers team. Skruebevægelsen er en rotation med uret omkring sin akse, men selve skruen bevæger sig i fremadgående retning som et resultat. Med hver omdrejning bevæger skruen sig en vis afstand, som er uafhængig af den hastighed, man drejer skruen med. En sådan adfærd, også kendt som topologisk pumpning, er typisk for visse topologiske systemer.

Men hvad nu hvis skruen rammer en forhindring? I ETH-forskernes eksperiment var den forhindring en ekstra laserstråle, der begrænsede atomernes bevægelsesfrihed i længderetningen. Efter omkring 100 omdrejninger af skruen løb atomerne så at sige ind i en væg. I den ovenfor anvendte analogi repræsenterer væggen en æbletopologi, hvor topologisk pumpning ikke kan finde sted.

Overraskende tilbagevenden

Overraskende nok stoppede atomerne ikke bare ved væggen, men vendte pludselig om. Skruen bevægede sig således bagud, selvom den blev ved med at blive drejet med uret. Esslinger og hans team forklarer denne tilbagevenden ved de to doughnut-topologier, der findes i gitteret - en med en doughnut, der kan drejes med uret, og en anden, der drejer i den modsatte retning. Ved væggen kan atomerne skifte fra den ene topologi til den anden og dermed vende deres bevægelsesretning.

Så tændte forskerne en frastødende interaktion mellem atomerne og så, hvad der skete. Igen fik de en overraskelse:Atomerne vendte nu rundt ved en usynlig barriere, selv før de nåede laservæggen.

"Ved hjælp af modelberegninger kunne vi vise, at den usynlige barriere blev skabt af atomerne selv gennem deres gensidige frastødning," forklarer ph.d. elev Anne-Sophie Walter.

Qubit motorvej til kvantecomputere

"Med disse observationer har vi taget et stort skridt mod en bedre forståelse af interagerende topologiske systemer," siger Esslinger, der studerer sådanne effekter. Som et næste skridt ønsker han at udføre yderligere eksperimenter for at undersøge, om den topologiske skrue er så robust som forventet med hensyn til uorden, og hvordan atomerne opfører sig i to eller tre rumlige dimensioner.

Esslinger har også nogle praktiske anvendelser i tankerne. For eksempel kunne transporten af ​​atomer eller ioner ved topologisk pumpning bruges som en qubit motorvej til at tage qubits (kvantebit) i kvantecomputere til de rigtige steder uden at varme dem op eller forstyrre deres kvantetilstande.

Flere oplysninger: Zijie Zhu et al., Reversering af kvantiserede Hall-drifter ved ikke-interagerende og interagerende topologiske grænser, Science (2024). DOI:10.1126/science.adg3848

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af ETH Zürich