Elektronen zijn niet zomaar bolletjes, stuiteren door een materiaal zoals een rubberen bal. De wetten van de kwantumfysica vertellen ons dat elektronen zich als golven gedragen. Bij sommige materialen is deze elektronengolven kunnen nogal gecompliceerde vormen aannemen. De zogenaamde "topologische materialen" produceren elektronentoestanden die zeer interessant kunnen zijn voor technische toepassingen, maar het is buitengewoon moeilijk om deze materialen en hun bijbehorende elektronische toestanden te identificeren.

TU Wien (Wenen) en verschillende onderzoeksgroepen uit China hebben nu nieuwe ideeën ontwikkeld en in een experiment geïmplementeerd. Een "kristal" gemaakt van lichtgolven wordt gecreëerd om atomen in een heel speciaal geometrisch patroon te houden. Deze "lichtkristallen", die op verschillende manieren zijn gebruikt voor het manipuleren van atomen, kan nu worden gebruikt om het systeem opzettelijk uit evenwicht te brengen. Door te schakelen tussen eenvoudige en gecompliceerde toestanden, het systeem onthult of het al dan niet topologisch interessante toestanden heeft. Deze bevindingen zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Broodjes en donuts

Het belang van topologie kan gemakkelijk worden ingezien als we te veel dingen in een boodschappentas stoppen:een broodje kan licht worden geplet en in een vorm worden geperst die lijkt op een banaan. Broodjes en bananen hebben dezelfde geometrische basisstructuur, topologisch zijn ze hetzelfde. Anderzijds, een donut heeft een gat in het midden - de topologie is anders. Zelfs als het een beetje geperst is, de vorm is nog goed te onderscheiden van die van het broodje.

"Het is vergelijkbaar met kwantumtoestanden, " legt prof. Jörg Schmiedmayer van het Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) aan de TU Wien uit. "Quantumstaten kunnen een niet-triviale topologie hebben die hen beschermt tegen bepaalde verstoringen. Dat maakt ze zo interessant voor technologie, want je hebt altijd te maken met verstoringen in elk experiment en in elke echte technologische toepassing." In 2016, de Nobelprijs voor natuurkunde voor onderzoek werd toegekend voor onderzoek naar topologische toestanden van materie, maar het wordt nog steeds als uiterst moeilijk beschouwd om te bepalen of een bepaald materiaal al dan niet topologisch interessante kwantumtoestanden toelaat.

"Quantumtoestanden die niet in evenwicht zijn, veranderen snel, ", zegt Jörg Schmiedmayer. "Deze dynamiek is notoir moeilijk te begrijpen, maar zoals we hebben laten zien, het is een geweldige manier om uiterst interessante informatie over het systeem te verkrijgen." Schmiedmayer werkte samen met onderzoeksteams uit China. "Het experiment werd geleid door Prof. Shuai Chen, in de onderzoeksgroep van prof. Jian-Wei Pan. Beiden waren ooit medewerkers van mijn groep in Heidelberg, en sinds hun terugkeer naar China, we hebben nauw samengewerkt, ", zegt Schmiedmayer. De TU Wenen en de Chinese Universiteit voor Wetenschap en Technologie (USTC, Heifei, China) ondertekenden in 2016 een samenwerkingsovereenkomst, die de onderzoekssamenwerking heeft versterkt, vooral op het gebied van natuurkunde.

Een onbalans die materiaaleigenschappen onthult

Met behulp van storende lichtgolven, atomen kunnen op vooraf gedefinieerde plaatsen worden vastgehouden, het creëren van een regelmatig raster van atomen, vergelijkbaar met een kristal, de atomen nemen de rol van de elektronen in een kristal in vaste toestand op zich. Door het licht te veranderen, de geometrie van de atomaire rangschikking kan worden gewijzigd, om te onderzoeken hoe de elektronentoestanden zich zouden gedragen in een echt vastestofmateriaal.

"Met deze wijziging er ontstaat plotseling een enorme onbalans, " zegt Jörg Schmiedmayer. "De kwantumtoestanden moeten herschikken en een nieuw evenwicht benaderen, net als ballen die van een heuvel rollen totdat ze evenwicht vinden in de vallei. En tijdens dit proces kunnen we duidelijke handtekeningen zien die ons vertellen of er topologisch interessante toestanden te vinden zijn of niet. "

Dit is een belangrijk nieuw inzicht voor onderzoek naar topologische materialen. Men zou zelfs de kunstlichtkristallen kunnen aanpassen om bepaalde kristalstructuren te simuleren en om nieuwe topologische materialen te vinden.