La simmetria gioca un ruolo fondamentale nella comprensione della materia quantistica complessa, in particolare nella classificazione delle fasi quantistiche topologiche, che hanno suscitato grande interesse nell'ultimo decennio. Un esempio eccezionale è l'isolatore topologico invariante di inversione temporale, una classe di materiale relativamente nuova con proprietà elettroniche peculiari, che è ben inteso come materiale topologico protetto dalla simmetria (SPT).

In un recente studio, un team internazionale di fisici sperimentali e teorici presso la Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) e la Peking University (PKU) ha riportato l'osservazione di una fase SPT per atomi ultrafreddi utilizzando la simulazione quantistica atomica. Questo lavoro apre la strada all'espansione dell'ambito della fisica SPT con atomi ultrafreddi e allo studio della dinamica quantistica di non equilibrio in questi sistemi esotici.

I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Progressi scientifici il 23 febbraio, 2018.

Le forme degli oggetti possono essere classificate in base alla topologia. Una fase esotica della materia quantistica può essere compresa con la topologia e la simmetria sottostanti nei materiali fisici. Il team ha creato un cristallo sintetico per atomi ultrafreddi e per la prima volta emula le proprietà chiave di un materiale topologico unidimensionale (1-D) oltre la condizione naturale. Gli atomi ultrafreddi sono 1 miliardo di volte più diluiti dei solidi, ma consentono lo studio della fisica complessa perché sono estremamente incontaminate e controllabili.

La classificazione delle fasi quantistiche topologiche ha portato a una nozione fondamentale di fasi SPT, che sono stati esotici sotto la protezione delle simmetrie, e ampliare notevolmente la nostra comprensione della natura fondamentale della materia quantistica. Tuttavia, di gran lunga solo una piccola parte delle fasi SPT teoricamente previste è stata scoperta nei materiali allo stato solido, principalmente a causa dell'ambiente complicato e incontrollabile dei materiali allo stato solido che causa grandi sfide nella realizzazione.

"Il nostro lavoro prevedeva in teoria un nuovo tipo di fase SPT, che va oltre la tradizionale classificazione basata su dieci vie, e osservato in esperimento uno stato così esotico in un cristallo sintetico ingegnerizzato con atomi ultrafreddi, " ha detto Xiong-Jun Liu, assistente professore all'Università di Pechino e coautore del documento. "Questo lavoro è infatti la prima realizzazione sperimentale di una fase SPT per atomi ultrafreddi, che apre una grande quantità di possibilità per simulare e sondare la nuova fisica SPT, " ha aggiunto il professor Liu.

Questo lavoro porta infatti la simulazione quantistica della materia topologica al livello successivo, che potrebbe portare a notevoli progressi nella scienza dei materiali e nella tecnologia quantistica.

"Inoltre, grazie ai vantaggi della piena controllabilità, ci aspettiamo che il presente lavoro porti avanti studi futuri in esperimenti di atomi ultrafreddi di fasi SPT interagenti, che sono ampiamente discussi in teoria ma molto difficili da indagare nei materiali allo stato solido, " ha spiegato Gyu-Booong Jo, assistente professore presso il Dipartimento di Fisica HKUST e coautore del documento.