In sommige materialen zijn er fasen waartussen een overgang niet mogelijk is omdat ze worden beschermd door een bepaalde vorm van symmetrie. Natuurkundigen noemen dit topologische fasen. Een voorbeeld hiervan is de Haldane-fase, genoemd naar de 2016 Nobelprijswinnaar in de natuurkunde Duncan Haldane, die voorkomt in antiferromagnetische spin-1-ketens. Een team van onderzoekers van MPQ is er nu in geslaagd om deze exotische toestand van materie te realiseren in een eenvoudig systeem van ultrakoude atomen. Met behulp van een kwantumgasmicroscoop brachten ze de atomaire spins in de gewenste vorm, maten ze de eigenschappen van het systeem en vonden zo de verborgen interne orde die typerend is voor de Haldane-fase. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Nature .

Elke zaak gebeurt in verschillende fasen, die in elkaar over kunnen gaan. Een voorbeeld hiervan is water, dat in vloeibare vorm bestaat, als ijs of stoom, afhankelijk van de externe omstandigheden. De verschillende fysische fasen hebben dezelfde chemische samenstelling, maar een verschillende mate van interne ordening. Als bijvoorbeeld de temperatuur of druk verandert, gaat het water op een bepaald punt in een andere fase. In sommige materialen zijn er echter fasen waartussen een overgang niet mogelijk is omdat ze worden beschermd door een bepaalde vorm van symmetrie - een eigenschap van het systeem die dus onveranderd blijft, bijvoorbeeld tijdens een reflectie of rotatie. Alleen door de symmetrie te doorbreken is een faseovergang mogelijk. Natuurkundigen noemen dit topologische fasen, waarvan het onderzoek in de afgelopen jaren heeft geleid tot een dieper begrip van de structuur van kwantumsystemen.

De Haldane-fase meten

Tot op heden zijn dergelijke eigenschappen bijna alleen toegankelijk geweest in theoretische modellen en berekeningen of via indirecte metingen aan vaste stoffen. Maar nu is een team van onderzoekers van het Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) in Garching erin geslaagd een speciaal, voorbeeldig type topologische fase in het laboratorium te genereren en experimenteel te analyseren. De wetenschappers van de MPQ-afdeling van Quantum Many-Body Systems, onder leiding van prof.dr. Immanuel Bloch en dr. Timon Hilker, creëerden een zogenaamde Haldane-fase. Het is vernoemd naar de Britse natuurkundige Duncan Haldane, die voor het eerst topologische fasen van kwantumsystemen beschreef en er in 2016 samen met twee andere onderzoekers de Nobelprijs voor Natuurkunde voor ontving.

Haldane richtte zijn aandacht onder meer op het mogelijke bestaan ​​van een topologische fase in een keten van antiferromagnetische spin-1-deeltjes. Een spin is een kwantummechanische eigenschap van een deeltje zoals elektronen of atomen, die op een eenvoudige manier kan worden geïnterpreteerd als het impulsmoment van het deeltje wanneer het om zijn eigen as draait. In een antiferromagnetisch materiaal geven de spins er de voorkeur aan dat andere spins een andere draairichting in hun directe omgeving hebben.

Dit kan leiden tot een periodieke ordening van de spins, die in klassieke metingen echter onzichtbaar is in spin-1-systemen. De theoretische voorspelling zei dat er toch een bevel is, maar dat het 'verborgen' is. Om het te detecteren, zouden alle spins afzonderlijk en tegelijkertijd moeten worden gemeten - wat niet mogelijk is in vaste stoffen. Maar de onderzoekers van MPQ gebruikten kunstmatige materialen waarin de spins veel verder uit elkaar staan. Daarin produceerden ze een spin-1-keten met de kenmerken beschreven door Haldane.

De truc met de spinparen

"Tot nu toe was dit moeilijk te realiseren", zegt Sarah Hirthe. Dat is waarom de Ph.D. kandidaat bij de MPQ nam samen met haar collega Dominik Bourgund en andere leden van het Garching-team toevlucht tot een truc:"We creëerden op een indirecte manier een spin-1-keten door deze op te bouwen uit spins met de waarde ½, waarvan we twee toegevoegd", legt Bourgund uit. Op deze manier werden cellen met een geheeltallige spin gemaakt die in een ketting werden opgesteld.

Om deze bijzondere structuur te realiseren, gebruikte het team een ​​zogenaamde kwantumgasmicroscoop. Zo'n apparaat kan bijvoorbeeld worden gebruikt om de magnetische eigenschappen te bestuderen van individuele atomen die eerder op een bepaalde manier zijn gerangschikt. De wetenschappers spreken daarom ook van een kwantumsimulator, waarmee materie kunstmatig wordt opgebouwd uit zijn elementaire bouwstenen. "Hiervoor gebruiken we staande golven van laserlicht die een soort rooster vormen voor atomen", legt Sarah Hirthe uit. Dit rooster wordt vervolgens met behulp van verdere lasers en talloze kleine, beweegbare spiegels in de gewenste vorm gevormd.

"Voor de experimenten met de topologische Haldane-fase hebben we atomen in zo'n tweedimensionaal optisch rooster geplaatst", meldt de natuurkundige. "In een vacuüm en bij een temperatuur dichtbij het absolute nulpunt, rangschikten de atomen zich vervolgens precies op de manier die door licht wordt bepaald." De onderzoekers kozen een roosterstructuur die de atomen, samen met hun spins, de vorm van een ladder gaf - met twee "benen" en "sporten" ertussen. "De sporten van deze zogenaamde Fermi-Hubbard-ladders verbonden elk twee atomaire spins om eenheidscellen te vormen met spin 1", legt Dominik Bourgund uit. "In deze opstelling gebruikten we een concept dat in de theoretische natuurkunde bekend staat als het AKLT-model."

Een atoomladder met 'bungelende' randspins

"Het hoogtepunt van het experiment was dat we de randen van het systeem speciaal op maat hebben gemaakt", zegt Hirthe:de twee benen van de kwantumladder waren met één atoom van elkaar verschoven. Op deze manier konden de half-gehele spins van de atomen worden gecombineerd in een diagonale offset om eenheidscellen te vormen. Het gevolg van deze vorm:individuele spins zonder een directe partner "bungelden" aan beide uiteinden van het systeem - in technisch jargon edge-states genoemd. "Dergelijke spins en hun magnetische momenten kunnen verschillende oriëntaties aannemen zonder extra energietoevoer", legt Dominik Bourgund uit. Op deze manier geven ze het systeem karakteristieke eigenschappen op basis van de speciale symmetrie - de typische kenmerken van de Haldane-fase. Ter vergelijking:de Max Planck-onderzoekers creëerden ook een "triviale" topologische fase zonder randtoestanden.

Om de kenmerken van de twee fasen te analyseren, maten de wetenschappers de magnetisatie van zowel de individuele spins als het hele systeem van alle atomen langs een mentale reeks onder de kwantumgasmicroscoop. Alleen op deze manier was het mogelijk om de voorspelde "verborgen" interne orde te vinden. "Onze resultaten bevestigen de verwachte topologische eigenschappen van zowel het algehele systeem als de randtoestanden", merkt Timon Hilker op, die het project leidt. "Dit laat zien:we hebben de complexe structuur toegankelijk gemaakt voor metingen via een eenvoudig systeem."

Solide basis voor kwantumcomputers?

Met hun resultaten hebben de Max Planck-onderzoekers niet alleen de basis gelegd voor het experimenteel verifiëren van theoretische voorspellingen over topologische fasen. Hun nieuwe bevindingen zouden in de toekomst ook praktische toepassing kunnen vinden - in kwantumcomputers. Hun functie is gebaseerd op 'qubits', fundamentele rekeneenheden in de vorm van kwantumtoestanden. De tekortkoming in de technische realisatie tot nu toe is hun lage stabiliteit:als de qubits hun waarde verliezen, gaan ook de data verloren. Als ze zouden kunnen worden weergegeven door topologische fasen, die behoorlijk robuust zijn tegen externe interferentie vanwege hun nauwe verbinding met een fundamentele symmetrie, zou dit het computergebruik met een kwantumcomputer aanzienlijk kunnen vereenvoudigen. + Verder verkennen

Quantummagneten in beweging