Isolatoren die aan hun randen geleiden, zijn veelbelovend voor interessante technologische toepassingen. Echter, tot nu toe zijn hun kenmerken niet volledig begrepen. Natuurkundigen van de Goethe-universiteit hebben nu met behulp van ultrakoude kwantumgassen gemodelleerd wat bekend staat als topologische isolatoren. In het huidige nummer van Fysieke beoordelingsbrieven , ze laten zien hoe de randtoestanden experimenteel kunnen worden gedetecteerd.

Stel je een schijf voor die is gemaakt van een isolator met een geleidende rand waarlangs een stroom altijd in dezelfde richting loopt. "Dit maakt het onmogelijk voor een kwantumdeeltje om te worden belemmerd, omdat de staat van stromen in de andere richting gewoon niet bestaat, " legt Bernhard Irsigler uit, de eerste auteur van de studie. Met andere woorden:in de randtoestand, de stroom vloeit zonder weerstand. Dit zou kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld, om de stabiliteit en energie-efficiëntie van mobiele apparaten te vergroten. Ook wordt onderzocht hoe hiermee efficiënter lasers kunnen worden gemaakt.

In recente jaren, topologische isolatoren zijn ook geproduceerd in ultrakoude kwantumgassen om hun gedrag beter te begrijpen. Deze gassen ontstaan ​​wanneer een normaal gas wordt afgekoeld tot temperaturen tussen een miljoenste en miljardste graad boven het absolute nulpunt. Dit maakt ultrakoude kwantumgassen de koudste plekken in het heelal. Als er ook een ultrakoud kwantumgas wordt geproduceerd in een optisch rooster van laserlicht, de gasatomen rangschikken zich even regelmatig als in het kristalrooster van een vaste stof. Echter, in tegenstelling tot een solide, veel parameters kunnen worden gevarieerd, waardoor kunstmatige kwantumtoestanden kunnen worden bestudeerd.

"We noemen het graag een kwantumsimulator omdat dit soort systeem veel dingen onthult die plaatsvinden in vaste stoffen. Door ultrakoude kwantumgassen in optische roosters te gebruiken, we kunnen de basisfysica van topologische isolatoren begrijpen, " legt co-auteur Jun-Hui Zheng uit.

Een significant verschil tussen een vast en een kwantumgas, echter, is dat de wolkvormige gassen geen gedefinieerde randen hebben. Dus hoe bepaalt een topologische isolator in een ultrakoud gas waar zijn randtoestanden zijn? De onderzoekers van de onderzoeksgroep van professor Walter Hofstetter aan het Instituut voor Theoretische Fysica van de Goethe Universiteit beantwoorden deze vraag in hun onderzoek. Ze hebben een kunstmatige barrière gemodelleerd tussen een topologische isolator en een normale isolator. Dit vertegenwoordigt de rand van de topologische isolator waarlangs de geleidende randtoestand wordt gevormd.

"We laten zien dat de randtoestand wordt gekenmerkt door kwantumcorrelaties die kunnen worden gemeten in een experiment met behulp van een kwantumgasmicroscoop. Harvard University, MIT en het Max-Planck-Instituut voor Quantum Optica in München voeren allemaal dit soort metingen uit, ", zegt Hofstetter. Een kwantumgasmicroscoop is een instrument waarmee individuele atomen in experimenten kunnen worden gedetecteerd. "Voor ons werk, het is van cruciaal belang dat we expliciet rekening houden met de interactie tussen de deeltjes van het kwantumgas. Dat maakt het onderzoek realistischer, maar ook veel ingewikkelder. De complexe berekeningen kunnen niet worden uitgevoerd zonder een supercomputer. De nauwe samenwerking met vooraanstaande Europese wetenschappers in het kader van de DFG Research Unit 'Artificial Gauge Fields and Interacting Topological Phases in Ultracold Atoms' is ook voor ons van bijzonder belang, ’, vult Hofstetter aan.