Symmetrie speelt een fundamentele rol bij het begrijpen van complexe kwantummaterie, vooral bij het classificeren van topologische kwantumfasen, die de afgelopen tien jaar grote belangstelling hebben gewekt. Een uitstekend voorbeeld is de tijdomkering invariante topologische isolator, een relatief nieuwe materiaalklasse met eigenaardige elektronische eigenschappen, dat goed wordt begrepen als een symmetrie-beschermd topologisch (SPT) materiaal.

In een recente studie, een internationaal team van experimentele en theoretische natuurkundigen van de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) en Peking University (PKU) rapporteerde de observatie van een SPT-fase voor ultrakoude atomen met behulp van atomaire kwantumsimulatie. Dit werk opent de weg naar het uitbreiden van de reikwijdte van SPT-fysica met ultrakoude atomen en het bestuderen van niet-evenwichtige kwantumdynamica in deze exotische systemen.

Hun bevindingen werden gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang op 23 februari, 2018.

De vormen van objecten kunnen worden geclassificeerd op basis van topologie. Een exotische fase van kwantummaterie kan worden begrepen met onderliggende topologie en symmetrie in fysieke materialen. Het team creëerde een synthetisch kristal voor ultrakoude atomen en emuleert voor het eerst de belangrijkste eigenschappen van een eendimensionaal (1-D) topologisch materiaal buiten de natuurlijke toestand. De ultrakoude atomen zijn 1 miljard keer meer verdund dan vaste stoffen, maar maken de studie van complexe fysica mogelijk omdat ze extreem ongerept en controleerbaar zijn.

Classificatie van topologische kwantumfasen heeft geleid tot een fundamenteel begrip van SPT-fasen, die exotische staten zijn onder de bescherming van symmetrieën, en ons begrip van de fundamentele aard van kwantummaterie enorm vergroten. Hoe dan ook, verreweg slechts een klein deel van de theoretisch voorspelde SPT-fasen is ontdekt in vastestofmaterialen, voornamelijk vanwege de gecompliceerde en oncontroleerbare omgeving van solid-state materialen die grote uitdagingen bij de realisatie veroorzaakt.

"Ons werk voorspelde in theorie een nieuw type SPT-fase, die verder gaat dan de traditionele classificatie op basis van tienvoudige manieren, en in een experiment zo'n exotische toestand waargenomen in een geconstrueerd synthetisch kristal met ultrakoude atomen, " zei Xiong-Jun Liu, assistent-professor aan de Universiteit van Peking en co-auteur van het artikel. "Dit werk is inderdaad de eerste experimentele realisatie van een SPT-fase voor ultrakoude atomen, wat een groot aantal mogelijkheden opent om nieuwe SPT-fysica te simuleren en te onderzoeken, " voegde Prof Liu toe.

Dit werk tilt de kwantumsimulatie van topologische materie inderdaad naar een hoger niveau, wat kan leiden tot dramatische vooruitgang in de materiaalwetenschap en in de kwantumtechnologie.

"Bovendien, vanwege de voordelen van de volledige beheersbaarheid, we verwachten dat het huidige werk toekomstige studies in ultrakoude atoomexperimenten van op elkaar inwerkende SPT-fasen zal bevorderen, die in theorie breed worden besproken, maar zeer moeilijk te onderzoeken zijn in materialen in vaste toestand, " legde Gyu-Booong Jo uit, assistent-professor aan de HKUST-afdeling Natuurkunde en co-auteur van het papier.