Utilizzando un simulatore quantistico atomico, gli scienziati dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno ottenuto la prima osservazione diretta delle correnti chirali nell'isolante topologico modello, il sistema di Hall quantistico intero 2-D.

Gli isolanti topologici (TI) sono probabilmente la classe di materiali più promettente scoperta negli ultimi anni, con molte potenziali applicazioni teorizzate. Questo perché i TI presentano una qualità speciale:la superficie del materiale conduce elettricità, mentre la massa funge da isolante. Nell'ultima decade, gli scienziati hanno ampiamente sondato le proprietà microscopiche delle TI, comprendere meglio la fisica fondamentale che governa il loro peculiare comportamento.

La simulazione quantistica atomica si è rivelata uno strumento importante per sondare le caratteristiche dei TI, perché consente ai ricercatori un maggiore controllo e maggiori possibilità di esplorare regimi non attualmente accessibili in materiali reali. I raggi laser finemente sintonizzati vengono utilizzati per intrappolare atomi di rubidio ultrafreddi (circa un miliardo di volte più freddi della temperatura ambiente) in una struttura reticolare che simula con precisione la struttura dei materiali ideali.

Alex An, uno studente laureato in fisica che lavora con l'assistente professore Bryce Gadway all'Illinois, è l'autore principale dello studio, "Osservazione diretta di correnti chirali e riflessione magnetica in reticoli di flusso atomico, " recentemente pubblicato in Progressi scientifici .

Il sistema di Hall quantistica intera 2-D nei materiali reali è caratterizzato da un campo magnetico che fa sì che gli elettroni compiano traiettorie chiuse, come una semplice orbita quadrata chiusa attorno a quattro siti di un reticolo quadrato bidimensionale, al fine di acquisire uno sfasamento nota come fase di Aharonov-Bohm. L'entità di questo sfasamento dipende dalla forza del campo magnetico racchiuso dalla traiettoria.

Un spiega, "Sia nel sistema elettronico che nel nostro sistema simulato, i campi magnetici danno origine a una topologia non banale:mentre le particelle nella maggior parte del sistema orbitano attorno a celle a quattro siti, le particelle di bordo non possono compiere orbite complete e invece fluiscono ciclicamente attorno al bordo dell'intero sistema, generare correnti chirali. Questi fenomeni microscopici portano ad una conduttanza quantizzata macroscopica, che è stato misurato in materiali come il grafene e nei gas di elettroni 2D basati su eterostrutture di semiconduttori".

Per questo studio, il team ha sviluppato una nuova tecnica di simulazione quantistica atomica che ha permesso agli scienziati di osservare direttamente le correnti chirali per la prima volta in assoluto. Gli scienziati hanno impiegato una dozzina di laser per intrappolare e raffreddare gli atomi di rubidio a temperature nano-kelvin. Successivamente hanno configurato gli atomi ultrafreddi in un reticolo periodico, in precisa analogia con gli elettroni nella struttura cristallina periodica di un materiale reale. Quindi, usando la loro nuova tecnica, gli scienziati hanno manipolato il campo magnetico sintetico per osservare il comportamento emergente degli elettroni.

"Mentre altri ricercatori che lavorano nella fisica atomica-molecolare-ottica creano questo reticolo nello spazio reale, colleghiamo invece gli stati del momento atomico per creare un reticolo non in un reale, dimensione fisica, ma in una dimensione 'sintetica', o spazio di moto, " Un differenzia. "Colleghiamo questi stati utilizzando una coppia di raggi laser in grado di impartire slancio fotonico agli atomi in gruppi discreti".

An prosegue spiegando come questo nuovo approccio offra un maggiore controllo sui parametri reticolari a livello di singolo sito, consentendo agli scienziati di progettare fasi sugli atomi mentre viaggiano tra i siti del reticolo.

"Con l'aggiunta di una seconda coppia di raggi laser, creiamo un completamente sintetico, reticolo 2-D di stati di quantità di moto, " lui continua, "A causa del nostro controllo risolto dal sito sul reticolo, possiamo applicare diversi flussi magnetici sintetici a ciascuna cella a quattro siti. Quindi, dove studi precedenti hanno costruito sistemi bidimensionali con una dimensione dello spazio reale e una dimensione sintetica, il nostro approccio completamente sintetico ci consente di fare alcune cose uniche.

"Primo, abbiamo la capacità di creare modelli di flusso omogenei e disomogenei:quest'ultimo non è attualmente raggiungibile nei sistemi dello spazio reale. In secondo luogo, dimostriamo la capacità di sintonizzare rapidamente e facilmente il flusso di un campo omogeneo attraverso l'intera gamma di valori di flusso:questo è stato ora ottenuto in una configurazione dello spazio reale, quasi contemporaneamente al nostro lavoro. E infine, la nostra nuova tecnica consente l'osservazione diretta risolta in loco delle correnti chirali. L'osservazione diretta delle correnti chirali sottostanti non è stata possibile nei materiali reali".

Nello studio del flusso omogeneo, il team ha osservato le correnti chirali di un campo magnetico artificiale omogeneo per l'intera gamma di valori di flusso applicati (da -π a π). Un flusso positivo ha fatto sì che gli atomi di superficie scorressero in senso orario attorno al sistema, e un flusso negativo ha indotto un contrario, flusso in senso antiorario. Il sistema ingegnerizzato ha permesso al team di sintonizzare rapidamente e facilmente il flusso applicato attraverso l'intera gamma di valori di flusso, oltre la gamma dei materiali convenzionali e con maggiore versatilità rispetto ai sistemi atomici nello spazio reale.

Quindi, nello studio del flusso disomogeneo, il team ha progettato una forte dislocazione nel campo magnetico artificiale combinando questo sistema topologicamente non banale con una regione topologicamente banale di flusso zero. Hanno osservato che la popolazione atomica si rifletteva sul confine tra queste due regioni, con la massima riflessione alla maggiore differenza di flusso. Un senso di riflessione più tradizionale, come una palla che rimbalza su un muro, richiede un cambiamento nel panorama energetico potenziale. Però, questa riflessione magnetica si verifica esclusivamente a causa della differenza di topologia. Questo fenomeno sarebbe molto difficile da studiare con altri sistemi atomici, e sarebbe essenzialmente impossibile studiare in materiali elettronici reali. "Per un vero materiale elettronico, progettare un tale aumento graduale del flusso magnetico richiederebbe un salto di intensità del campo magnetico di 104 Tesla su pochi angstrom - una situazione pazzesca che siamo tuttavia in grado di simulare utilizzando un sistema atomico controllato, "dice Gadway.

An sottolinea che, mentre i TI hanno enormi implicazioni per le future applicazioni tecnologiche, questa è una ricerca fondamentale, e questi risultati non andranno immediatamente in un dispositivo tascabile come uno smartphone.

"Speriamo di far luce su fenomeni simili nei materiali reali studiandoli nel nostro sistema atomico, " condivide An. "L'effetto Hall quantistico intero che studiamo in questo lavoro è caratterizzato da fenomeni macroscopici come la conduttanza quantizzata che sono stati studiati in materiali reali, ma il sottostante gli stati di bordo chirali microscopici che danno origine a questi fenomeni sono stati fuori dalla portata dei materiali reali, ma non fuori dalla portata del nostro sistema! Allo stesso modo, speriamo di ottenere maggiori informazioni sul funzionamento sottostante di sistemi più complessi, alimentato da un desiderio fondamentale di capire e come un modo per costruire eventualmente materiali reali che mostrano le stesse proprietà."

Negli studi futuri, il team prevede di progettare sistemi con geometrie bidimensionali simili, con caratteristiche topologiche più complesse.

"Uno di questi sistemi è costituito da due fili topologici accoppiati come quelli descritti nel nostro precedente lavoro sul modello Su-Schrieffer-Heeger. Il gruppo di Smitha Vishveshwara ha previsto che aggiungendo disordine specifico a questo sistema, potremmo essere in grado di sondare lo sfuggente spettro delle farfalle di Hofstadter. Speriamo anche di studiare un nuovo tipo di sistema 'isolatore multipolare' recentemente proposto da Wladimir Benalcazar, Taylor Hughes, e collaboratori. Questo sistema sarebbe caratterizzato da modi d'angolo topologici che trasportano carica quantizzata frazionata".