Isolatori topologici, un eccitante, relativamente nuova classe di materiali, sono in grado di trasportare elettricità lungo il bordo della superficie, mentre la maggior parte del materiale funge da isolante elettrico. Le applicazioni pratiche di questi materiali sono ancora per lo più una questione di teoria, mentre gli scienziati sondano le loro proprietà microscopiche per comprendere meglio la fisica fondamentale che governa il loro comportamento peculiare.

Usando la simulazione quantistica atomica, una tecnica sperimentale che coinvolge laser finemente sintonizzati e atomi ultrafreddi circa un miliardo di volte più freddi della temperatura ambiente, replicare le proprietà di un isolante topologico, un team di ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign ha osservato direttamente per la prima volta lo stato limite protetto (lo stato solitonico topologico) dell'isolatore topologico trans-poliacetilene. Le proprietà di trasporto di questo polimero organico sono tipiche degli isolanti topologici e del modello Su-Schrieffer-Heeger (SSH).

Studenti laureati in fisica Eric Meier e Fangzhao Alex An, lavorando con l'assistente professore Bryce Gadway, sviluppato un nuovo metodo sperimentale, un approccio ingegnerizzato che consente al team di sondare i fenomeni di trasporto quantistico.

"La simulazione quantistica consente alcune capacità uniche rispetto agli studi diretti del trasporto di elettroni in materiali reali, " spiega Gadway. "Un vantaggio principale dell'utilizzo di atomi neutri è la capacità di manipolarli a piacimento attraverso l'uso della luce laser e di altri campi elettromagnetici. Modificando i dettagli di questi campi di controllo, noi possiamo, Per esempio, aggiungere disordine su misura per studiare i fenomeni di localizzazione o rompere le simmetrie del sistema in modo controllato, come attraverso l'introduzione di un grande campo magnetico efficace. L'obiettivo finale è utilizzare un sistema così ben controllato nel regime in cui le particelle interagiscono fortemente, ed esplorare nuovi fenomeni di cui non saremmo stati in grado di prevedere in base al comportamento dei singoli atomi".

Il nuovo metodo del team prende questa idea di progettazione del sistema, o "ingegneria hamiltoniana, "all'estremo, permettendo ai ricercatori di controllare ogni singolo elemento che governa il trasporto delle singole particelle.

"Questo particolare studio è stato importante perché abbiamo mostrato per la prima volta che possiamo usare questo metodo per realizzare sistemi topologicamente non banali, e c'è una forte promessa per la realizzazione futura dell'interazione, sistemi topologici di atomi." Meier commenta. "Il nostro è il primo studio di questo tipo a consentire il rilevamento risolto dal sito degli stati al contorno topologici e il sondaggio della loro struttura in modo sensibile alla fase." I risultati sono pubblicati nel numero di dicembre 23, numero 2016 di Comunicazioni sulla natura .

Il modello Su-Schrieffer-Heeger è il modello da manuale di un isolante topologico, che mostra la maggior parte delle caratteristiche salienti associate ai sistemi topologici:una fase topologica con stati al contorno protetti e una massa del sistema isolante. Nei polimeri coniugati come il poliacetilene, lo stato solitonico topologico è associato alla struttura dimerizzata di legami singoli e doppi alternati lungo la catena principale della molecola. Gli stati elettronici protetti si presentano al confine tra regioni con ordine alternato opposto, e danno origine ad alcune proprietà di trasporto uniche, compreso un aumento della conduttività elettrica di circa nove ordini di grandezza sotto drogaggio leggero con impurità.

Un spiega, "Alcuni degli aspetti più interessanti dei sistemi topologici sono piuttosto sottili o si basano sulla messa a punto dei parametri del sistema. Sistemi quantistici ingegnerizzati:atomi freddi, simulatori fotonici, qubit superconduttori, ecc.-sono meglio attrezzati per l'esplorazione di questi tipi di fenomeni. La ragione di ciò è che sono generalmente liberi dal disturbo intrinseco, sia il disordine materiale che le fluttuazioni termiche, sarebbe difficile da evitare in un sistema di materia condensata convenzionale."

La nuova tecnica del team è promettente per ulteriori indagini sul comportamento fondamentale dei sistemi topologici. Sono già in corso ulteriori esperimenti, estendendo questo lavoro ai sistemi quantistici bidimensionali di tipo Hall e all'esplorazione di isolanti topologici in presenza di disordine.

"L'aspetto interessante del nostro studio è che siamo stati in grado di osservare direttamente gli stati al contorno topologici di questo sistema e sondarli in modo sensibile alla fase con tecniche di fisica atomica, " Gadway riassume. "Esperimenti futuri, simile in vena ma in un sistema sperimentale leggermente diverso, potrebbe consentire l'esplorazione di fenomeni di trasporto fortemente correlati inaccessibili dalla simulazione classica. Il più grande obiettivo del nostro gruppo nel prossimo futuro è osservare l'influenza delle interazioni atomiche in un tale sistema. In particolare, il fatto che i nostri atomi formino un fluido quantistico interagente consente loro di supportare naturalmente le interazioni locali nel sistema modello ingegnerizzato. Speriamo di sondare l'influenza di queste interazioni molto presto".