Topologische isolatoren (TI's) herbergen exotische fysica die een nieuw licht zou kunnen werpen op de fundamentele natuurwetten. Bovendien, de ongebruikelijke eigenschappen van TI's zijn veelbelovend voor technologische toepassingen, onder meer in kwantumcomputers, geminiaturiseerde gegevensopslag van de volgende generatie, en spintronica. Wetenschappers over de hele wereld werken aan het begrijpen van de microscopische eigenschappen van deze materialen die elektriciteit vrijelijk langs hun randen geleiden, ook al is hun massa een isolator.

Nu heeft een team van experimentele natuurkundigen van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign de eerste waarneming gedaan van een specifiek type TI dat wordt veroorzaakt door een stoornis. Professor Bryce Gadway en zijn afgestudeerde studenten Eric Meier en Alex An gebruikten atomaire kwantumsimulatie, een experimentele techniek die gebruik maakt van fijn afgestemde lasers en ultrakoude atomen die ongeveer een miljard keer kouder zijn dan kamertemperatuur, om de fysieke eigenschappen van eendimensionale elektronische draden na te bootsen met nauwkeurig afstembare wanorde. Het systeem begint met triviale topologie net buiten het regime van een topologische isolator; het toevoegen van wanorde duwt het systeem in de niet-triviale topologische fase.

Dit type topologische isolator veroorzaakt door wanorde wordt de topologische Anderson-isolator genoemd, genoemd naar de bekende theoretisch fysicus en Nobelprijswinnaar Philip Anderson, een alumnus van de University Laboratory High School op de U of I-campus. Verrassend genoeg, terwijl wanorde typisch transport remt en niet-triviale topologie vernietigt, in dit systeem helpt het om een ​​topologische fase te stabiliseren.

De waarneming werd mogelijk gemaakt door nauwe samenwerking met een internationaal team van theoretisch fysici aan de U of I, aan het Instituut voor Fotonische Wetenschappen (ICFO), en aan de Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) in Spanje, die de kwantumfysica aan het werk verhelderde en de sleutelsignatuur identificeerde waarnaar de experimentatoren in het systeem zouden moeten zoeken.

Theoretisch fysicus Pietro Massignan van UPC en ICFO merkt op, "Intuïtief, men zou denken dat wanorde de geleiding zou moeten tegenwerken. Bijvoorbeeld, hardlopen is gemakkelijk in een open veld, maar wordt moeilijker en moeilijker naarmate je door een steeds dichter bos gaat. Maar hier laten we zien dat een op de juiste manier toegesneden stoornis in feite een aantal eigenaardige geleidende excitaties kan veroorzaken, topologisch beschermde randmodi genoemd."

Meier is hoofdauteur van het papier. "Interessant, " hij voegt toe, "in een 3D of 2D topologisch systeem, die randtoestanden zouden worden gekenmerkt door vrij stromende elektronen. Maar in een 1D-systeem als het onze, de randstaten zitten daar gewoon, aan beide uiteinden van de draad. In elke TI, de grenstoestanden hebben de dimensionaliteit van je systeem min één. In onze 1D topologische Anderson-isolator, de grenstoestanden zijn in feite gewoon punten. Hoewel de grensfysica eigenlijk een beetje saai is in dit systeem, er is een rijke dynamiek gaande in het grootste deel van het systeem dat direct gerelateerd is aan dezelfde topologie - dit is wat we hebben bestudeerd."

De experimentele observatie van de groep valideert het concept van topologische Anderson-isolatoren dat ongeveer tien jaar geleden werd uitgewerkt. De topologische Anderson-isolatorfase werd voor het eerst theoretisch ontdekt door J. Li et al. in 2009, en de oorsprong ervan werd verder uitgelegd door C.W. Groth, et al. datzelfde jaar. Vijf jaar later, een paar werken, een door A. Altland et al. en één door de groep van Taylor Hughes aan de U of I, die samenwerkt met de groep van Emil Prodan aan de Yeshiva University, voorspelde het optreden van de topologische Anderson-isolator in eendimensionale draden, zoals gerealiseerd in de nieuwe experimenten van de Gadway-groep.

Gadway benadrukt, "Onze aanpak van dit onderzoek was echt geïnspireerd door de voorspelling in 2014 van Taylor Hughes en zijn afgestudeerde student Ian Mondragon-Shem aan de U. of I. Taylor was een belangrijke medewerker. Evenzo, onze collega's in Spanje hebben een enorme bijdrage geleverd aan de introductie van het concept van gemiddelde chirale verplaatsing, waarmee de topologie direct in het grootste deel van het materiaal kan worden gemeten."

"Werken met Taylor, "Gadway voegt eraan toe, "Onze Spaanse collega's ontdekten dat de gemiddelde chirale verplaatsing in wezen gelijk is aan de topologische invariant van zo'n eendimensionaal systeem, iets dat het opwindnummer wordt genoemd. Dit was van cruciaal belang om de gegevens op het systeem te kunnen nemen en wat we tijdens het experiment zagen, te relateren aan de topologie van het systeem. Dit was een project waarbij het hebben van een schare theoretici een grote hulp was, zowel voor het uitvoeren van de juiste metingen als om te begrijpen wat het allemaal betekende."

"Dit is een opwindend resultaat in termen van potentiële toepassingen, " Gadway bevestigt. "Dit suggereert dat we in staat zouden kunnen zijn om echte materialen te vinden die bijna topologisch zijn en die we zouden kunnen manipuleren door middel van doping om ze te doordrenken met deze topologische eigenschappen. Dit is waar kwantumsimulatie een enorm voordeel biedt ten opzichte van echte materialen - het is goed voor het zien van fysieke effecten die heel subtiel zijn. Onze 'designerstoornis' is precies beheersbaar, waar in echte materialen, wanorde is zo rommelig als het klinkt - het is onbeheersbaar."

"Gadway's experimentele opstelling is de droom van een theoreticus, "Massin voegt toe. "Het was alsof je met LEGO speelde:het model dat we voor ogen hadden, kon stap voor stap worden gebouwd, in een echt laboratorium. Elk element van de Hamiltoniaan die we in gedachten hadden, kon op een zeer zorgvuldige manier worden geïmplementeerd, en in realtime veranderd."

ICFO-postdoctoraal onderzoeker Alexandre Dauphin voegt toe:"Dit platform is ook veelbelovend voor het bestuderen van de effecten van zowel interactie als wanorde in topologische systemen, wat zou kunnen leiden tot opwindende nieuwe fysica."

NSF-programmadirecteur Alex Cronin houdt toezicht op het financieringsprogramma dat deze experimentele inspanning ondersteunde. Hij wijst op het belang van dit fundamentele onderzoek dat met succes gebruik maakt van gemanipuleerde kwantumsystemen om nieuwe fysica te ontdekken:"Voordat we kwantumcomputers op ware grootte krijgen om een ​​breed scala aan exotische systemen te bestuderen, we hebben al kwantumsimulators zoals deze die nu resultaten opleveren. Het is opwindend om nieuwe ontdekkingen te zien die zijn gedaan met kwantumsimulators zoals deze."

Deze resultaten werden online gepubliceerd door het tijdschrift Wetenschap op donderdag, 11 oktober, 2018. Nadat ze hun werk bij het tijdschrift hadden ingediend, de onderzoekers van deze studie hoorden van de parallelle observatie van hetzelfde fenomeen door een ander onderzoeksteam aan de Universiteit van Rostock, Duitsland.

"Hun team gebruikte fotonische golfgeleiders om de fysieke eigenschappen van ditzelfde soort systeem na te bootsen, en ze bestudeerden eigenschappen aan de rand van het systeem. We gebruikten koude atomen en observeerden bulkeigenschappen om een ​​echt duidelijke visualisatie van de topologie te krijgen, Gadway stelt. "Deze twee werken waren complementair en samen illustreren ze hoe verschillende fysieke systemen kunnen worden gecontroleerd en gemaakt om hetzelfde soort interessante verschijnselen te vertonen."