science >> Wetenschap >  >> Fysica

Tijdkristallen en topologische supergeleiders versmelten

Krediet:CC0 Publiek Domein

"Als je een topologische supergeleider van stroom voorziet met een tijdkristal, krijg je meer dan de som der delen, " zegt Jason Alicea, een onderzoeker aan het California Institute of Technology (Caltech) in de VS. De ontdekking van topologische toestanden heeft geleid tot tal van onderzoeken die nieuwe gecondenseerde materie en kwantumfysica onthullen, met potentiële technologische toepassingen in spintronica en quantum computing. evenzo, niet lang na de eerste waarnemingen van topologische isolatoren in de late jaren 2000, de concepten van tijdkristallen ontstonden, een nieuwe arena introduceren voor het verkennen van nieuwe fysica die kan worden benut in nauwkeurige tijdwaarneming en kwantumtechnologieën.

Nutsvoorzieningen, Alice, naast Aaron Chew, ook bij Caltech, en David Mross van het Weizmann Instituut in Israël, melden in Fysieke beoordelingsbrieven theoretisch onderzoek van systemen die de twee fenomenen samenvoegen. "De verwevenheid tussen tijdkristalliniteit en topologische fysica genereert een interessante draai aan excitaties die worden nagestreefd voor fouttolerante kwantumcomputers, ’ voegt Alice toe.

Wat zijn topologische materialen?

De onderzoekers hadden het geluk om op deze systemen te stuiten als iets van een "gelukkig ongeluk" tijdens onderzoeken die Chew en Mross uitvoerden op topologische supergeleiders, één type van een hele familie van materialen die de afgelopen 10 tot 20 jaar vruchtbaar is gegroeid. De theorie van topologische materialen is gebaseerd op het concept van eigenschappen van topologieën (zoals de vorm van een donut of bol) die invariant zijn onder vloeiende transformaties. Een typisch voorbeeld van dergelijke soepele transformaties is het veranderen van een donut in een koffiekopje - de bol kan niet veranderen in een donut of een koffiekopje zonder een snede te maken voor het gat of het handvat, waardoor de transformatie niet langer soepel zou verlopen.

In een topologische isolator, eigenschappen geassocieerd met de elektronengolffunctie zijn topologisch invariant. Wat ze interessant maakt, is de interface tussen topologische en gewone isolatoren. Bij het overschrijden van deze grens, de golffunctie moet een verandering ondergaan die kan leiden tot geleidende rand- of oppervlaktetoestanden aan de grens die symmetrie-beschermd zijn door deeltjesaantalbehoud en tijdomkeersymmetrie, waardoor ze bijzonder robuust zijn tegen verstoringen. Dit zou kunnen zorgen voor stevigere qubits, bijvoorbeeld.

Aaron Chew (links) en David Mross (rechts). Krediet:Jason Alicea

Sinds de eerste waarneming van een 2D-topologische isolator in 2007, Er zijn 3D-topologische toestanden aan het licht gekomen waarin intrinsieke spin-baankoppeling de plaats inneemt van het magnetische veld, evenals topologische supergeleiders en fotonische en magnetische analogen. Sindsdien zijn er catalogi verschenen die de bijna alomtegenwoordigheid van topologische materialen in de natuur onthullen. De buitengewone vruchtbaarheid van dit veld leidde tot de toekenning van de Nobelprijs voor de natuurkunde 2016 aan David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane, en J. Michael Kosterlitz "voor theoretische ontdekkingen van topologische faseovergangen en topologische fasen van materie."

Wat zijn tijdkristallen?

rond 2012, overwegingen van systemen die dezelfde soort periodiciteit in de tijd hebben als in de ruimte wordt waargenomen in conventionele kristallen, wekten belangstelling voor het idee van tijdkristallen - "nette fasen van materie waar natuurkundigen de afgelopen jaren veel over hebben geleerd, " vertelt Alicea aan Phys.org. In een conventioneel kristal, een continue translatiesymmetrie wordt verbroken in de laagste energietoestand, plaats maken voor een discrete periodieke symmetrie. Als we tijd zien als een vierde coördinaat van ruimte-tijd, het lijkt natuurlijk om te zoeken naar zo'n symmetrie die in de tijd breekt, ook. Echter, het definiëren van tijdkristallen simpelweg in termen van deze symmetriebreking stuit op problemen met dubbelzinnigheden in termen van energie, evenals oscillaties in sommige triviale systemen die de aanduiding "tijdkristal" zinloos zouden maken.

In een recente recensie door Vedika Khemani van Harvard en Stanford University in de VS, Roderich Moessner bij Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Duitsland en Shivaji Sondhi bij Princeton in de VS, tijdkristallen waren beperkter. De term was alleen van toepassing op lokaal begrensde Hamiltoniaanse systemen met niet-triviale tijdsafhankelijkheid over asymptotisch lange tijden die voldoen aan aanvullende vereisten voor de beginvoorwaarden om een ​​fase van materie te definiëren waarbij de translationele tijdsymmetrie wordt verbroken. Dit beperkt de Hamiltoniaanse systemen die aanleiding kunnen geven tot tijdkristallen tot veellichaamsgelokaliseerde en periodiek aangedreven zogenaamde Floquet-systemen.

Wat verbindt de twee?

Chew en Mross waren vooral geïnteresseerd in "niet-Abelse anyons" die in topologisch geordende fasen kunnen bestaan. Een anyon is een deeltje dat strikt genomen geen fermion of boson is, terwijl niet-Abeliaans verwijst naar gedrag dat kan worden beschreven in termen van bewerkingen die afhankelijk van de volgorde tot verschillende resultaten leiden. Een klassiek voorbeeld van "niet-commuterende" bewerkingen kan een rotatie over 90 graden om één as en vervolgens een loodrechte as zijn.

In supergeleidende systemen, quasideeltjes bestaan ​​bekend als Majorana-fermionen, een type fermion dat zijn eigen antideeltje is, zoals voor het eerst werd verondersteld door Ettore Majorana in 1937. Wanneer gebonden aan een defect, de resulterende nul-energie Majorana-modi hebben niet-Abelse statistieken die de bouwstenen van een topologische kwantumcomputer zouden kunnen voorzien van qubits die veel stabieler zijn dan die gebaseerd op ingesloten kwantumdeeltjes.

Chew en Mross onderzochten hoe een verband kon worden gelegd tussen niet-Abelse defecten in 2-D topologisch geordende fasen en die welke kunnen optreden in strikt 1-D fermionsystemen. Alicea legt uit dat de studie hen tot de ontdekking leidde dat het mogelijk is om topologische supergeleiders te verrijken door ze te koppelen aan regelbare magnetische vrijheidsgraden. "Toen realiseerden we ons dat door die magnetische vrijheidsgraden in een tijdkristal te veranderen, topologische supergeleiding reageert op opmerkelijke manieren, ' zegt Alice.

Tijdkristallijne topologische supergeleiders

In hun laatste werk, Alice, Chew en Mross overwegen de Cooper-elektronenparen in een 1-D topologische supergeleider te koppelen aan tijdkristallijne Ising-spins, waarbij de Ising-spins na elke periode omslaan. Aangezien het twee perioden duurt voordat de Ising-spins hun oorspronkelijke staat hebben bereikt, ze worden beschouwd als tijdkristallijne Ising-spins met dubbele periodiciteit.

Als een 1-D vrije-fermion topologische supergeleider die Majorana-eindmodi host, periodiek wordt aangestuurd, "Floquet Majorana-modi" verschijnen, dragende energie gerelateerd aan de helft van de rijfrequentie. In een van de waarnemingen van hun analyse van tijdkristallijne topologische supergeleiders, Alice, Chew en Mross onthullen een verviervoudigde periodiciteit in 'Floquet Majorana-modi'. Ze stellen ook experimentele schema's voor om deze systemen te implementeren en op te sporen.

"Het is verleidelijk om je voor te stellen dat je een aantal nuttige kwantumbewerkingen kunt genereren door de magnetische vrijheidsgraden te beheersen die verweven zijn met de topologische fysica. Of misschien kunnen bepaalde ruiskanalen worden onderdrukt door gebruik te maken van tijdkristallen, " zegt Alicea. Toekomstig werk kan onderzoeken of deze systemen ook kunnen voorkomen in 2D- en 3D-materialen. "Het bestaan ​​van tijdkristallen, echter, is een subtiel onderwerp buiten 1-D, " voegt Alicea toe. "Het is nog steeds interessant, Hoewel, om te vragen of men hoger-dimensionale analogen van onze 1-D tijd-kristallijne topologische supergeleider kan realiseren. Ze leven misschien maar voor een beperkte tijd, maar die tijd kan lang genoeg zijn om nieuwe fysica waar te nemen."

© 2020 Wetenschap X Netwerk