Symmetrie is een fundamenteel kenmerk van de natuur. Het begrijpen van de mechanismen die symmetrieën doorbreken is essentieel voor wetenschappelijk onderzoek. Spontane symmetriebreking (SSB), vooral, treedt op wanneer thermische of kwantumfluctuaties een systeem van een symmetrische toestand naar een geordende toestand drijven, zoals het gebeurt wanneer een vloeistof in een vaste stof verandert. Met dit mechanisme kunnen onderzoekers verschillende fasen van materie classificeren volgens de verschillende patronen die door de gebroken symmetrie worden gegenereerd.

In de laatste decennia, topologie is ook erkend als een cruciaal kenmerk om te beschrijven hoe materie op fundamenteel niveau is georganiseerd. In dit geval, het is niet langer het doorbreken van bepaalde symmetrieën, maar hun behoud, die aanleiding geeft tot nieuwe toestanden van materie, de zogenaamde symmetrie-beschermde topologische (SPT) fasen. Verschillende topologische fasen kunnen dezelfde symmetrieën vertonen, maar ze kunnen worden onderscheiden door een globale topologische invariant, die gehele waarden neemt en wordt bewaard onder continue vervormingen.

Huidig ​​onderzoek in de fysica van de gecondenseerde materie heeft tot doel te begrijpen hoe symmetriebreking en symmetriebescherming concurreren, vooral in de aanwezigheid van interacties. In een recent artikel gepubliceerd in Natuurcommunicatie , ICFO-onderzoekers Daniel Gonzalez en Przemyslaw Grzybowski, onder leiding van Alexandre Dauphin en ICREA Prof. bij ICFO Maciej Lewenstein, in samenwerking met Alejandro Bermudez van de Universidad Complutense in Madrid, rapporteren hoe deze twee processen samenwerken, waardoor nieuwe sterk gecorreleerde topologische effecten ontstaan.

In hun studie hebben de onderzoekers toonden aan hoe, in aanwezigheid van sterke interacties, een beschermende symmetrie ontstaat bij lage energieën uit de reeks configuraties die worden beperkt door het verbreken van een andere symmetrie. Deze opkomende symmetrie stabiliseert een verweven topologische fase, waar de topologische eigenschappen naast de aanwezigheid van lange-afstandsorde bestaan. Bovendien, ze laten zien hoe dit samenspel aanleiding geeft tot interessante statische en dynamische effecten, zoals een topologisch beschermd deeltjestransport gekwantificeerd tot fractionele waarden. Voor deze, ze bestuderen een microscopisch roostermodel, het Z2-Bose-Hubbard-model, die experimenteel kan worden geïmplementeerd met behulp van ultrakoude atomaire systemen.

De resultaten van deze studie openen een venster op het gebied van topologische fasen in materialen, de weg vrijmaken voor verdere verkenning van exotische topologische kenmerken in sterk gecorreleerde kwantumsystemen.