In de natuurwetenschappen, bepaalde grootheden verschijnen als gehele veelvouden van fundamentele en ondeelbare elementen. Deze kwantisering van fysieke grootheden, die de kern vormt van onze beschrijving van de natuur, vond zijn weg door de eeuwen heen, zoals blijkt uit het antieke concept van het atoom. belangrijk, de ontdekking van gekwantiseerde grootheden is vaak in verband gebracht met een revolutie in ons begrip en waardering van de natuurwet, een treffend voorbeeld is de kwantisering van licht in termen van fotonen, wat leidde tot onze hedendaagse (kwantummechanische) beschrijving van de microscopische wereld.

Een internationaal team onder leiding van Prof. Nathan Goldman, Wetenschapsfaculteit, Université libre de Bruxelles, voorspelt een nieuwe vorm van kwantisatiewet, waarbij een duidelijk type fysiek waarneembaar is betrokken:de verwarmingssnelheid van een kwantumsysteem bij uitwendig schudden. Om dit begrip te begrijpen, laten we eerst een eenvoudiger analoog beeld bekijken:wanneer een ijsblokje in een magnetron wordt geplaatst, de laatste prikkelt de watermoleculen, vandaar dat het leidt tot een geleidelijk smelten van het ijs; tijdens dit verhittingsproces, het aantal moleculen dat het ijs vormt, neemt met de tijd af, een proces dat kan worden gekwantificeerd door een verwarmingssnelheid. In het huidige artikel, de auteurs laten zien hoe, onder specifieke omstandigheden, dergelijke verwarmingssnelheden moeten voldoen aan een elegante en nauwkeurige kwantiseringswet. specifiek, leggen de auteurs uit dat dit fenomeen plaatsvindt wanneer een fysiek systeem, die aanvankelijk een exotische toestand van materie vormt (een topologische fase), wordt gecontroleerd opgewarmd; bij verwarming, deeltjes worden uit de topologische fase uitgestoten (in directe analogie met het smelten van ijs hierboven beschreven) en de overeenkomstige verwarmingssnelheid blijkt te voldoen aan de bovengenoemde kwantiseringswet.

Een cruciaal aspect van deze nieuwe kwantisatiewet is dat deze wordt gedicteerd door de topologische aard van de beginfase van het systeem, in directe analogie met de kwantisering van de conductantie in vaste stoffen. Om deze analogie te begrijpen, herinneren we eraan dat de geleiding, die de efficiëntie bepaalt waarmee elektrische stromen in een materiaal worden opgewekt, kan worden gekwantiseerd in termen van een "geleidingskwantum"; dit is de handtekening van het kwantum Hall-effect, die werd gevierd met twee Nobelprijzen, in 1985 en in 1998. Heel verrassend, deze kwantisering van conductantie bleek nauw verbonden te zijn met een fundamenteel wiskundig concept:topologie. Kortom, topologie heeft tot doel geometrische objecten te classificeren op basis van hun meest elementaire kenmerken, bijvoorbeeld, hun aantal gaten of windingen. Deze elegante relatie tussen de fysieke kwantisering van geleiding en het abstracte concept van topologie opende de deur naar de verkenning van een brede familie van exotische toestanden van materie, de zogenaamde topologische fasen, wiens ontdekking onlangs werd geëerd door de 2016 Nobelprijs voor de natuurkunde. De ontdekking gerapporteerd door het internationale team onder leiding van prof. Goldman biedt dus een nieuw perspectief op de intrigerende verbanden tussen kwantisatiewetten in de natuurkunde en topologie.

Naast de elegantie van deze nieuwe kwantiseringswet voor verwarmingssnelheden, deze ontdekking heeft een belangrijk gevolg:het opwarmen van een kwantumsysteem kan worden gebruikt als een universele sonde voor exotische toestanden van materie. De auteurs stellen een fysiek platform voor dat bijzonder geschikt is voor experimentele realisatie:een ultrakoud gas van atomen gevangen in een optisch rooster (een periodiek landschap gecreëerd door licht). Van dergelijke opstellingen is bekend dat ze een ideale gereedschapskist vormen voor de kwantumengineering van topologische materie, maar ook, voor het implementeren van nieuwe soorten metingen. In praktijk, het voorgestelde experiment zou bestaan ​​uit het voorbereiden van een topologische fase, door een ultrakoud gas in een optisch rooster te laden, en door dit rooster vervolgens cirkelvormig te schudden; de resulterende verwarmingssnelheden zouden dan worden geëxtraheerd door het aantal atomen te meten dat na een bepaalde duur van schudden in de topologische fase bleef.