Физика конденсированного состояния остается областью исследований, требующей решения множества головоломок. Новые исследования стали возможны благодаря успехам экспериментальной квантовой физики. В частности, ультрахолодные атомы в оптических решетках и полностью настраиваемая и управляемая среда представляют собой идеальную систему для изучения физики проблем конденсированного состояния.
Одно из этих явлений можно наблюдать в связи с квантовым эффектом Холла: когда определенные материалы подвергаются воздействию сильного магнитного поля, электроны больше не могут двигаться в сингулярном круговом направлении на краях, а многократно отскакивают от края, где они отражаются. .Это соответствует пропуску траекторий. В качестве макроскопического следствия на границах таких двумерных материалов могут наблюдаться так называемые хиральные токи, которые движутся в противоположном направлении на противоположных краях. «Это можно сравнить с рекой, где рыбы плывут вправо на одном берегу и влево на другом берегу», — объясняет физик-теоретик Марчелло Дальмонте из Института теоретической физики Университета Инсбрука и член исследовательской группы Питера Цоллера. исследовательская группа Института квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии наук.
Прыгающие атомыЕще десять лет назад исследовательская группа Питера Золлера предложила способ моделирования хиральных токов с нейтральными атомами. Эта идея в сочетании с подходом синтетических измерений, выдвинутым барселонской группой в ICFO, была подхвачена и реализована физиками Европейской лаборатории нелинейной спектроскопии (LENS) во Флоренции в сотрудничестве с физиками-теоретиками в Инсбруке. В своем эксперименте ученые заключили ультрахолодный газ атомов иттербия в оптическую решетку, создаваемую лазерными лучами.
Поскольку трудно воспроизвести структуру двумерных систем конденсированного состояния, физики используют новый подход: они использовали одномерную цепочку атомов и синтезировали второе измерение. Динамика по синтетическому измерению генерируется лазерными прыжками между двумя или тремя внутренними спиновыми состояниями.«С теоретической точки зрения эти прыжки в различные внутренние спиновые состояния представляют ту же концепцию, что и геометрические прыжки электронов на краях системы конденсированного состояния», — объясняет Марчелло Дальмонте.
Вместе с Мари Райдер и Питером Золлером Марчелло Дальмонте заложил теоретическую основу для эксперимента и предложил, как наблюдать это явление. Наблюдения, опубликованные в Science, показывают, что частицы движутся в основном вправо на одном крае и влево на другом. «Это поведение очень похоже на хиральные токи, известные в физике конденсированного состояния», — говорит Дальмонте. Это моделирование экзотических эффектов открывает перед исследователями новые возможности для изучения других новых физических явлений, например, в связи с квантовыми эффектами Холла, изучения энионов в атомных системах.
Предполагается, что эти экзотические квазичастицы подходят в качестве основного строительного блока для топологических квантовых компьютеров.Исследователей поддерживают, в частности, Австрийский научный фонд (FWF), Европейский исследовательский совет (ERC) и Европейский союз.