Топологические изоляторы (ТИ), возможно, являются наиболее многообещающим классом материалов, обнаруженных в последние годы, и многие их потенциальные применения предполагаются в теории. Это потому, что ТИ обладают особым качеством: поверхность материала проводит электричество, а основная масса действует как изолятор. За последнее десятилетие ученые тщательно исследовали микроскопические свойства ТИ, чтобы лучше понять фундаментальную физику, которая определяет их специфическое поведение.Атомное квантовое моделирование оказалось важным инструментом для исследования характеристик ТИ, поскольку оно дает исследователям больший контроль и большие возможности для исследования режимов, которые в настоящее время недоступны в реальных материалах.
Точно настроенные лазерные лучи используются для захвата ультрахолодных атомов рубидия (примерно в миллиард раз холоднее комнатной) в решетчатую структуру, которая точно имитирует структуру идеальных материалов.Алекс Ан, аспирант по физике, работающий под руководством доцента Брайса Гэдвея в Иллинойсе, является ведущим автором исследования «Прямое наблюдение хиральных токов и магнитного отражения в решетках атомных потоков», недавно опубликованного в Science Advances.Двумерная целочисленная квантовая система Холла в реальных материалах характеризуется магнитным полем, которое заставляет электроны совершать замкнутые траектории, такие как простая замкнутая квадратная орбита вокруг четырех узлов двумерной квадратной решетки, чтобы получить фазовый сдвиг, известный как фаза Ааронова-Бома. Величина этого фазового сдвига зависит от напряженности магнитного поля, окруженного траекторией.
Ан объясняет: «Как в электронной системе, так и в нашей моделируемой системе магнитные поля порождают нетривиальную топологию: в то время как частицы в основной части системы движутся по орбитам вокруг четырехузловых ячеек, краевые частицы не могут совершать полные орбиты и вместо этого текут циклически. вокруг края всей системы, генерируя хиральные токи. Эти микроскопические явления приводят к макроскопической квантованной проводимости, которая была измерена в таких материалах, как графен, и в двумерных электронных газах на основе полупроводниковых гетероструктур ».Для этого исследования команда разработала новую технику атомно-квантового моделирования, которая впервые в истории позволила ученым напрямую наблюдать киральные токи.
Ученые использовали около дюжины лазеров для захвата и охлаждения атомов рубидия до нанокельвиновских температур. Затем они сконфигурировали ультрахолодные атомы в периодической решетке в точной аналогии с электронами в периодической кристаллической структуре реального материала.
Затем, используя свою новую технику, ученые манипулировали синтетическим магнитным полем, чтобы наблюдать возникающее поведение электронов.«В то время как другие исследователи, работающие в области атомно-молекулярно-оптической физики, создают эту решетку в реальном пространстве, мы вместо этого связываем атомные импульсные состояния, чтобы создать решетку не в реальном физическом измерении, а в« синтетическом »измерении или импульсном пространстве», Дифференцирует. «Мы связываем эти состояния с помощью пары лазерных лучей, которые могут передавать импульс фотона атомам дискретными сгустками».Далее Ан объясняет, как этот новый подход предлагает больший контроль над параметрами решетки на уровне отдельных узлов, позволяя ученым создавать фазы на атомах, когда они перемещаются между узлами решетки.
«С добавлением второй пары лазерных лучей мы создаем полностью синтетическую двумерную решетку импульсных состояний, — продолжает он. — Благодаря нашему локальному контролю над решеткой мы можем применять различные синтетические магнитные потоки к каждая ячейка с четырьмя узлами.Таким образом, там, где в предыдущих исследованиях были построены двумерные системы с одним измерением реального пространства и одним синтетическим измерением, наш полностью синтетический подход позволяет нам делать несколько уникальных вещей.«Во-первых, у нас есть возможность создавать как однородные, так и неоднородные модели потоков — последнее в настоящее время недостижимо в системах реального космоса. Во-вторых, мы демонстрируем способность быстро и легко настраивать поток однородного поля по всей диапазон значений потока — теперь это было достигнуто в установке в реальном пространстве, примерно в то же время, что и наша работа. И, наконец, наша новая методика позволяет осуществлять прямое наблюдение хиральных токов с локальным разрешением.
Прямое наблюдение лежащих в основе хиральных токов было невозможно в реальных материалах ".В исследовании однородного потока команда наблюдала хиральные токи однородного искусственного магнитного поля для всего диапазона значений приложенного потока. Положительный поток заставлял поверхностные атомы обтекать систему по часовой стрелке, а отрицательный поток вызывал противоположный поток против часовой стрелки.
Разработанная система позволила команде быстро и легко настроить применяемый поток во всем диапазоне значений потока, за пределами диапазона обычных материалов и с большей универсальностью, чем атомные системы в реальном космосе.Затем, в исследовании неоднородного потока, команда разработала резкую дислокацию в искусственном магнитном поле, объединив эту топологически нетривиальную систему с топологически тривиальной областью нулевого потока.
Они заметили, что атомная популяция отражается от границы между этими двумя областями с максимальным отражением при наибольшей разнице в потоках. Более традиционное ощущение отражения, как будто мяч отскакивает от стены, требует сдвига в ландшафте потенциальной энергии.
Однако это магнитное отражение происходит исключительно из-за разницы в топологии. Это явление было бы очень трудно изучить с помощью других атомных систем, и практически невозможно изучить в реальных электронных материалах. «Для настоящего электронного материала разработка такого ступенчатого увеличения магнитного потока потребовала бы скачка напряженности магнитного поля на 104 Тесла всего за несколько ангстрем — безумная ситуация, которую мы, однако, можем смоделировать, используя управляемый атомный система ", — говорит Гэдвей.Ан подчеркивает, что, хотя TI имеют огромное значение для будущих приложений в области технологий, это фундаментальное исследование, и эти результаты не сразу войдут в карманное устройство, такое как смартфон.
«Мы надеемся пролить больше света на аналогичные явления в реальных материалах, изучая их в нашей атомной системе», — делится Ан. "Целочисленный квантовый эффект Холла, который мы изучаем в этой работе, отмечен макроскопическими явлениями, такими как квантованная проводимость, которые были изучены в реальных материалах, но лежащие в основе микроскопические киральные краевые состояния, которые вызывают эти явления, были недоступны для реальных материалов. — но не вне досягаемости нашей системы! Точно так же мы надеемся получить больше информации о лежащих в основе работы более сложных систем, подпитываемых фундаментальным желанием понять и как способ в конечном итоге создать реальные материалы, которые проявляют те же свойства. "В будущих исследованиях команда планирует проектировать системы, имеющие похожую двумерную геометрию, с более сложными топологическими особенностями.«Одна из этих систем состоит из двух связанных топологических проводов, подобных тем, которые использовались в нашей предыдущей работе над моделью Су-Шриффера-Хигера.
Группа Смиты Вишвешвары предсказала, что, добавив особый беспорядок в эту систему, мы сможем исследовать неуловимый спектр бабочки Хофштадтера. Мы также надеемся изучить новый тип системы «многополюсный изолятор», недавно предложенный Владимиром Бенальказаром, Тейлором Хьюзом и сотрудниками. Эта система будет характеризоваться топологическими угловыми модами, несущими дробно-квантованный заряд ».