Natuurkundigen van de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) en de Peking University (PKU) hebben met succes 's werelds eerste 3D-simulatie gemaakt van topologische materie bestaande uit ultrakoude atomen. Eerdere pogingen tot topologische materiesimulaties waren beperkt tot lagere dimensies, vanwege uitdagingen over het karakteriseren van 3D-bandtopologie in atomaire systemen. Deze doorbraak maakt een opening vrij voor het verder onderzoeken van nieuwe topologische materie die niet goed kan worden gerealiseerd in vaste stoffen. Dergelijke nooit eerder uitgevoerde engineering van kunstmatig materiaal met ultrakoude atomen kan natuurkundigen nu in staat stellen ongebruikelijke fasen van materie te modelleren.

Prof. Gyu-Boong Jo, Universitair hoofddocent van de afdeling Natuurkunde van HKUST werkte samen met Prof. Xiong-Jun Liu, Professor van de School of Physics aan de PKU en bedacht een kunstmatige kristalroosterstructuur, eerder voorgesteld door de PKU-groep, om ultrakoude atomen te modelleren die 30 miljardste van een graad boven het absolute nulpunt zijn geprepareerd. Deze nieuwe synthetische kwantummaterie is een 3-D spin-baan gekoppeld topologisch semi-metaal met nodale lijn, en vertoont een opkomende magnetische groepssymmetrie. De onderzoekers correleerden de atoomspin met de richting van de atomaire beweging, waardoor het algehele atoomgedrag topologisch werd. Met een dergelijke symmetrie bewezen de onderzoekers dat de 3D-bandtopologie kan worden opgelost door alleen 2-D-spinpatronen op de symmetrische vlakken af ​​te beelden, en verder met succes het 3D-topologische halfmetaal in experiment waargenomen. De detectietechnieken die hier worden gebruikt, kunnen in het algemeen worden toegepast op het verkennen van alle 3D-topologische toestanden van vergelijkbare symmetrieën wanneer deze beschikbaar komen.

Het onderzoek is onlangs online gepubliceerd in Natuurfysica op 29 juli, 2019.

Complexe topologische materie is de focus geworden van zowel industrieel als academisch onderzoek omdat het wordt gezien als een manier om de weg vrij te maken om quantum computing ruisvrijer en robuuster te maken. De fysieke kwantumcomputers van vandaag zijn nog steeds luidruchtig, en kwantumfoutcorrectie is een groeiend onderzoeksgebied. Het doel van fouttolerante kwantumcomputing heeft investeringen in complexe topologische materie gedreven.

Topologische materie wordt geclassificeerd door de geometrische eigenschappen van de kwantumtoestand in materiaal. De topologische aard van het materiaal betekent dat het de neiging heeft om onvolkomenheden binnen een besturingssysteem te weerstaan ​​en ook het potentieel heeft voor andere, nog onbekende exotische eigenschappen.

"Ons werk opent veel mogelijkheden voor het ontwikkelen van nieuwe topologische materialen die van nature niet voorkomen, " zei prof. Jo. "Deze ontwikkeling toont aan dat er een nieuwe mogelijkheid is om complex topologisch materiaal in 3D te onderzoeken, en zal een nuttig platform bieden voor kwantumsimulatie."

"Dit is een baanbrekende vooruitgang voor kwantumsimulatie met ultrakoude atomen, " zei Prof. Liu. "Het maakt experimenteel onderzoek en observatie van niet-triviale fasen van alle fysieke dimensies mogelijk, waaronder diverse isolerende, halfmetaal, en superfluïde fasen met niet-triviale topologie in ultrakoude atomen."