Met behulp van een atomaire kwantumsimulator, wetenschappers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben de allereerste directe waarneming van chirale stromen in de topologische isolator van het model bereikt, het 2-D integer quantum Hall-systeem.

Topologische isolatoren (TI's) zijn misschien wel de meest veelbelovende klasse van materialen die de afgelopen jaren zijn ontdekt, met veel potentiële toepassingen getheoretiseerd. Dat komt omdat TI's een bijzondere kwaliteit vertonen:het oppervlak van het materiaal geleidt elektriciteit, terwijl het grootste deel als een isolator fungeert. Over de afgelopen tien jaar, wetenschappers hebben uitgebreid de microscopische eigenschappen van TI's onderzocht, om de fundamentele fysica die hun eigenaardige gedrag beheersen beter te begrijpen.

Atomaire kwantumsimulatie is een belangrijk hulpmiddel gebleken voor het onderzoeken van de kenmerken van TI's, omdat het onderzoekers meer controle en meer mogelijkheden geeft om regimes te verkennen die momenteel niet toegankelijk zijn in echt materiaal. Fijn afgestemde laserstralen worden gebruikt om ultrakoude rubidiumatomen (ongeveer een miljard keer kouder dan kamertemperatuur) op te vangen in een roosterstructuur die de structuur van ideale materialen precies simuleert.

Alex An, een afgestudeerde natuurkundestudent die werkt onder assistent-professor Bryce Gadway in Illinois, is hoofdauteur van de studie, "Directe observatie van chirale stromen en magnetische reflectie in atomaire fluxroosters, " onlangs gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Het 2-D integer-kwantum Hall-systeem in echte materialen wordt gekenmerkt door een magnetisch veld dat ervoor zorgt dat elektronen gesloten banen maken - zoals een eenvoudige gesloten vierkante baan rond vier plaatsen van een tweedimensionaal vierkant rooster - om een ​​faseverschuiving te verkrijgen bekend als een Aharonov-Bohm-fase. De grootte van deze faseverschuiving hangt af van de sterkte van het magnetische veld dat door het traject wordt omsloten.

An legt uit, "Zowel in het elektronische systeem als in ons gesimuleerde systeem, magnetische velden geven aanleiding tot niet-triviale topologie:terwijl deeltjes in het grootste deel van het systeem banen rond vier-site cellen ondergaan, de randdeeltjes kunnen geen volledige banen ondergaan en stromen in plaats daarvan cyclisch rond de rand van het hele systeem, chirale stromen genereren. Deze microscopische verschijnselen leiden tot een macroscopisch gekwantiseerde geleiding, die is gemeten in materialen zoals grafeen en in 2D-elektronengassen op basis van heterostructuren van halfgeleiders."

Voor deze studie is het team ontwikkelde een nieuwe atomaire-kwantum-simulatietechniek waarmee de wetenschappers voor het eerst de chirale stromen direct konden observeren. De wetenschappers gebruikten ongeveer een dozijn lasers om rubidiumatomen op te sluiten en af ​​te koelen tot nano-Kelvin-temperaturen. Vervolgens vormden ze de ultrakoude atomen in een periodiek rooster, in nauwkeurige analogie met elektronen in de periodieke kristalstructuur van een echt materiaal. Vervolgens, met behulp van hun nieuwe techniek, de wetenschappers manipuleerden het synthetische magnetische veld om het optredende gedrag van de elektronen te observeren.

"Terwijl andere onderzoekers die werkzaam zijn in de atomaire-moleculaire-optische fysica dit rooster in de echte ruimte creëren, we koppelen in plaats daarvan atomaire impulstoestanden om een ​​rooster te creëren dat niet in een echt, fysieke dimensie, maar in een 'synthetische' dimensie, of momentum ruimte, An differentieert. "We koppelen deze toestanden met behulp van een paar laserstralen die de atomen in discrete bundels fotonimpuls kunnen geven."

An legt verder uit hoe deze nieuwe aanpak meer controle biedt over de roosterparameters op het individuele siteniveau, waardoor de wetenschappers fasen op de atomen kunnen ontwerpen terwijl ze tussen de roosterlocaties reizen.

"Met de toevoeging van een tweede paar laserstralen, we creëren een volledig synthetische, 2-D rooster van impulstoestanden, " hij gaat door, "Vanwege onze site-opgeloste controle over het rooster, we kunnen verschillende synthetische magnetische fluxen toepassen op elke cel met vier locaties. Dus waar eerdere studies tweedimensionale systemen hebben geconstrueerd met één reële-ruimtedimensie en één synthetische dimensie, onze volledig synthetische aanpak stelt ons in staat om een ​​paar unieke dingen te doen.

"Eerst, we hebben het vermogen om zowel homogene als inhomogene fluxpatronen te creëren - dit laatste is momenteel niet haalbaar in systemen in de echte ruimte. Ten tweede, we demonstreren het vermogen om de flux van een homogeen veld snel en gemakkelijk af te stemmen over het volledige bereik van fluxwaarden - dit is nu bereikt in een opstelling in de echte ruimte, ongeveer tegelijk met ons werk. En tenslotte, onze nieuwe techniek maakt directe observatie van chirale stromingen op locatie mogelijk. Directe observatie van de onderliggende chirale stromen was niet mogelijk in echte materialen."

In de homogene flux studie, het team observeerde de chirale stromen van een homogeen kunstmatig magnetisch veld voor het hele bereik van toegepaste fluxwaarden (-π tot π). Een positieve flux zorgde ervoor dat de oppervlakte-atomen met de klok mee rond het systeem stromen, en een negatieve flux veroorzaakte een tegenovergestelde, tegen de klok in stromen. Dankzij het ontwikkelde systeem kon het team snel en eenvoudig de toegepaste flux afstemmen op het volledige bereik van fluxwaarden, buiten het bereik van conventionele materialen en met meer veelzijdigheid dan atomaire systemen in de echte ruimte.

Vervolgens, in de inhomogene flux studie, het team ontwikkelde een scherpe dislocatie in het kunstmatige magnetische veld door dit topologisch niet-triviale systeem te combineren met een topologisch triviaal gebied zonder flux. Ze zagen dat de atomaire populatie weerkaatste vanaf de grens tussen deze twee regio's, met maximale reflectie bij het grootste verschil in flux. Een meer traditioneel gevoel van reflectie, als een bal die tegen een muur stuitert, vereist een verschuiving in het potentiële energielandschap. Echter, deze magnetische reflectie vindt uitsluitend plaats vanwege het verschil in topologie. Dit fenomeen zou heel moeilijk te bestuderen zijn met andere atoomsystemen, en zou in wezen onmogelijk zijn om in echt elektronisch materiaal te studeren. "Voor een echt elektronisch materiaal, het ontwikkelen van zo'n stapsgewijze toename van magnetische flux zou een sprong van magnetische veldsterkten met 104 Tesla over slechts een paar angstrom vereisen - een gekke situatie die we echter kunnen simuleren met behulp van een gecontroleerd atomair systeem, ' zegt Gadway.

An benadrukt dat terwijl TI's enorme implicaties hebben voor toekomstige toepassingen in technologie, dit is fundamenteel onderzoek, en deze bevindingen zullen niet meteen in een apparaat in zakformaat zoals een smartphone terechtkomen.

"We hopen meer licht te werpen op soortgelijke verschijnselen in echte materialen door ze in ons atomaire systeem te bestuderen, " deelt An. "Het integer-kwantum Hall-effect dat we in dit werk bestuderen, wordt gekenmerkt door macroscopische verschijnselen zoals gekwantiseerde geleiding die zijn bestudeerd in echte materialen, maar de onderliggende microscopische chirale randtoestanden die aanleiding geven tot deze verschijnselen zijn buiten het bereik van echte materialen geweest - maar niet buiten het bereik van ons systeem! evenzo, we hopen meer inzicht te krijgen in de onderliggende werking van complexere systemen, gevoed door een fundamenteel verlangen om te begrijpen en als een manier om uiteindelijk echte materialen te construeren die dezelfde eigenschappen vertonen."

In toekomstige studies, het team is van plan om systemen te ontwikkelen met vergelijkbare tweedimensionale geometrieën, met meer complexe topologische kenmerken.

"Een van deze systemen bestaat uit twee gekoppelde topologische draden zoals die in ons eerdere werk aan het Su-Schrieffer-Heeger-model. De groep van Smitha Vishveshwara heeft voorspeld dat door een specifieke stoornis aan dit systeem toe te voegen, we kunnen misschien het ongrijpbare Hofstadter-vlinderspectrum onderzoeken. We hopen ook een nieuw type 'meerpolige isolator'-systeem te bestuderen dat onlangs is voorgesteld door Wladimir Benalcazar, Taylor Hughes, en medewerkers. Dit systeem zou worden gekenmerkt door topologische hoekmodi die fractionele gekwantiseerde lading dragen."