science >> Wetenschap >  >> Fysica

Kwantumsimulatietechniek levert topologische solitontoestand op in SSH-model

Afgestudeerde studenten Eric Meier en Fangzhao Alex An zijn bij Bryce Gadway (van links naar rechts) in Loomis Laboratory in Illinois. Krediet:L. Brian Stauffer, Universiteit van Illinois

Topologische isolatoren, een spannend, relatief nieuwe klasse van materialen, zijn in staat om elektriciteit langs de rand van het oppervlak te transporteren, terwijl het grootste deel van het materiaal fungeert als een elektrische isolator. Praktische toepassingen voor deze materialen zijn nog grotendeels een kwestie van theorie, terwijl wetenschappers hun microscopische eigenschappen onderzoeken om de fundamentele fysica die hun eigenaardige gedrag bepaalt beter te begrijpen.

Met behulp van atomaire kwantumsimulatie, een experimentele techniek met fijn afgestemde lasers en ultrakoude atomen die ongeveer een miljard keer kouder zijn dan kamertemperatuur, om de eigenschappen van een topologische isolator te repliceren, een team van onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign heeft voor het eerst direct de beschermde grenstoestand (de topologische solitontoestand) van de topologische isolator trans-polyacetyleen waargenomen. De transporteigenschappen van dit organische polymeer zijn typerend voor topologische isolatoren en voor het Su-Schrieffer-Heeger (SSH) model.

Afgestudeerde natuurkundestudenten Eric Meier en Fangzhao Alex An, werken met assistent-professor Bryce Gadway, een nieuwe experimentele methode ontwikkeld, een technische benadering waarmee het team kwantumtransportfenomenen kan onderzoeken.

"Quantumsimulatie zorgt voor een aantal unieke mogelijkheden in vergelijking met directe studies van elektronentransport in echte materialen, " legt Gadway uit. "Een belangrijk voordeel van het gebruik van neutrale atomen is de mogelijkheid om ze naar believen te manipuleren door het gebruik van laserlicht en andere elektromagnetische velden. Door de details van deze controlevelden te wijzigen, wij kunnen, bijvoorbeeld, op maat gemaakte stoornis toevoegen om lokalisatieverschijnselen te bestuderen of symmetrieën van het systeem op een gecontroleerde manier te doorbreken, zoals door de introductie van een groot effectief magnetisch veld. Het uiteindelijke doel is om zo'n goed gecontroleerd systeem te gebruiken in het regime waar deeltjes sterk op elkaar inwerken, en nieuwe fenomenen onderzoeken waarvan we de opkomst niet hadden kunnen voorspellen op basis van het gedrag van afzonderlijke atomen."

De nieuwe methode van het team gaat uit van dit idee van systeemontwerp, of "Hamiltoniaanse techniek, "tot het uiterste, waardoor de onderzoekers elk element kunnen controleren dat het transport van afzonderlijke deeltjes regelt.

"Deze specifieke studie was belangrijk omdat we voor het eerst hebben aangetoond dat we deze methode kunnen gebruiken om topologisch niet-triviale systemen te realiseren, en er is een sterke belofte voor de toekomstige realisatie van interactie, topologische systemen van atomen." Meier merkt op. "Onze studie is de eerste van deze soort die plaatsgebonden detectie van de topologische grenstoestanden en het aftasten van hun structuur op een fasegevoelige manier mogelijk maakt." 23, 2016 uitgave van Natuurcommunicatie .

Het Su-Schrieffer-Heeger-model is het leerboekmodel van een topologische isolator, met de meeste opvallende kenmerken die verband houden met topologische systemen - een topologische fase met beschermde grenstoestanden en een isolerend systeemvolume. In geconjugeerde polymeren zoals polyacetyleen, de topologische solitontoestand is geassocieerd met de gedimeriseerde structuur van afwisselende enkele en dubbele bindingen langs de ruggengraatketen van het molecuul. Beschermde elektronische toestanden verschijnen op de grens tussen regio's met een tegengestelde alternerende volgorde, en aanleiding geven tot enkele unieke transporteigenschappen, waaronder een toename van de elektrische geleidbaarheid met ongeveer negen ordes van grootte onder lichte dotering met onzuiverheden.

An legt uit, "Sommige van de meest interessante aspecten van topologische systemen zijn nogal subtiel of berusten op fijnafstemming van de systeemparameters. Geconstrueerde kwantumsystemen - koude atomen, fotonische simulatoren, supergeleidende qubits, enz. - zijn beter toegerust voor de verkenning van dit soort verschijnselen. De reden hiervoor is dat ze over het algemeen vrij zijn van de intrinsieke stoornis, zowel materiële wanorde als thermische fluctuaties, dat zou moeilijk te vermijden zijn in een conventioneel systeem van gecondenseerde materie."

De nieuwe techniek van het team is veelbelovend voor verder onderzoek naar het fundamentele gedrag van topologische systemen. Er lopen al extra experimenten, dit werk uitbreiden tot tweedimensionale quantum Hall-type systemen en de verkenning van topologische isolatoren in de aanwezigheid van wanorde.

"Het interessante aspect van onze studie is dat we in staat waren om de topologische grenstoestanden van dit systeem direct te observeren en ze op een fasegevoelige manier te onderzoeken met atomaire fysica-technieken, "Gadway vat het samen. "Toekomstige experimenten, vergelijkbaar in ader maar in een iets ander experimenteel systeem, zou de exploratie van sterk gecorreleerde transportfenomenen mogelijk maken die ontoegankelijk zijn door klassieke simulatie. Het grootste doel van onze groep in de nabije toekomst is het observeren van de invloed van atomaire interacties in zo'n systeem. Vooral, het feit dat onze atomen een interagerende kwantumvloeistof vormen, stelt hen in staat om op natuurlijke wijze lokale interacties in het gemanipuleerde modelsysteem te ondersteunen. We hopen de invloed van deze interacties zeer binnenkort te onderzoeken."