Команда исследователей из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн непосредственно наблюдала, используя атомное квантовое моделирование, экспериментальный метод с использованием точно настроенных лазеров и ультрахолодных атомов, которые примерно в миллиард раз холоднее комнатной температуры, для воспроизведения свойств топологического изолятора. впервые защищенное граничное состояние (топологическое солитонное состояние) топологического изолятора транс-полиацетилена. Транспортные свойства этого органического полимера типичны для топологических изоляторов и модели Су-Шриффера-Хигера (SSH).Аспиранты-физики Эрик Мейер и Фангжао Алекс Ан, работая с доцентом Брайсом Гэдвеем, разработали новый экспериментальный метод, инженерный подход, который позволяет исследовать явления квантового переноса.
«Квантовое моделирование дает некоторые уникальные возможности по сравнению с прямым исследованием переноса электронов в реальных материалах», — объясняет Гэдвей. «Основным преимуществом использования нейтральных атомов является возможность манипулировать ими по желанию с помощью лазерного света и других электромагнитных полей. Изменяя детали этих управляющих полей, мы можем, например, добавить индивидуальный беспорядок для изучения явлений локализации или Нарушать симметрии системы контролируемым образом, например, путем введения большого эффективного магнитного поля. Конечная цель — использовать такую хорошо управляемую систему в режиме, в котором частицы сильно взаимодействуют, и исследовать новые явления, появление которых мы бы не стали смогли предсказать, основываясь на поведении отдельных атомов ».
Новый метод команды доводит эту идею системного дизайна или «гамильтоновой инженерии» до крайности, позволяя исследователям контролировать каждый отдельный элемент, который управляет переносом отдельных частиц.«Это конкретное исследование было важным, потому что мы впервые показали, что можем использовать этот метод для реализации топологически нетривиальных систем, и есть большие надежды на будущую реализацию взаимодействующих топологических систем атомов». Комментарии Мейера. «Наше исследование является первым такого рода, которое позволяет обнаруживать топологические граничные состояния с определенным узлом и исследовать их структуру фазочувствительным способом». Результаты опубликованы в выпуске Nature Communications от 23 декабря 2016 года.
Модель Су-Шриффера-Хигера — это учебная модель топологического изолятора, отображающая большинство характерных черт, связанных с топологическими системами — топологическую фазу с защищенными граничными состояниями и изолирующий объем системы. В сопряженных полимерах, таких как полиацетилен, состояние топологического солитона связано с димеризованной структурой чередующихся одинарных и двойных связей вдоль основной цепи молекулы. Защищенные электронные состояния появляются на границе между областями с противоположным чередующимся порядком и вызывают некоторые уникальные транспортные свойства, в том числе увеличение электропроводности примерно на девять порядков величины при легком легировании примесями.Ан объясняет: «Некоторые из наиболее интересных аспектов топологических систем довольно тонкие или основаны на точной настройке параметров системы.
Спроектированные квантовые системы — холодные атомы, фотонные симуляторы, сверхпроводящие кубиты и т. Д. — лучше оснащены для исследование этих типов явлений. Причина этого в том, что они обычно свободны от внутреннего беспорядка, как материального беспорядка, так и тепловых флуктуаций, которых было бы трудно избежать в обычной системе конденсированного состояния ".
Новая методика команды обещает дальнейшие исследования фундаментального поведения топологических систем. Дополнительные эксперименты уже ведутся, расширяя эту работу до двумерных квантовых систем холловского типа и исследования топологических изоляторов в присутствии беспорядка.«Интересным аспектом нашего исследования является то, что мы смогли непосредственно наблюдать топологические граничные состояния этой системы и исследовать их фазочувствительным способом с помощью методов атомной физики», — резюмирует Гэдвей. «Будущие эксперименты, похожие по духу, но в немного другой экспериментальной системе, могут позволить исследовать сильно коррелированные явления переноса, недоступные классическому моделированию.
Самая большая цель нашей группы в ближайшем будущем — наблюдать влияние атомных взаимодействий в таком В частности, тот факт, что наши атомы образуют взаимодействующую квантовую жидкость, позволяет им естественным образом поддерживать локальные взаимодействия в созданной модельной системе. Мы надеемся очень скоро исследовать влияние этих взаимодействий ».