Gli isolanti topologici (TI) ospitano fisica esotica che potrebbe gettare nuova luce sulle leggi fondamentali della natura. Cosa c'è di più, le proprietà insolite dei TI sono enormi promesse per le applicazioni tecnologiche, anche nell'informatica quantistica, archiviazione dati miniaturizzata di nuova generazione, e spintronica. Scienziati di tutto il mondo stanno lavorando per comprendere le proprietà microscopiche di questi materiali che conducono liberamente elettricità lungo i bordi anche se la loro massa è un isolante.

Ora un team di fisici sperimentali dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign ha fatto la prima osservazione di un tipo specifico di TI che è indotto dal disturbo. Il professor Bryce Gadway e i suoi studenti laureati Eric Meier e Alex An hanno utilizzato la simulazione quantistica atomica, una tecnica sperimentale che impiega laser finemente sintonizzati e atomi ultrafreddi circa un miliardo di volte più freddi della temperatura ambiente, per imitare le proprietà fisiche dei cavi elettronici unidimensionali con un disturbo sintonizzabile con precisione. Il sistema parte da una banale topologia appena fuori dal regime di un isolante topologico; l'aggiunta di disordine spinge il sistema nella fase topologica non banale.

Questo tipo di isolante topologico indotto dal disordine è chiamato isolante topologico di Anderson, prende il nome dal noto fisico teorico e premio Nobel Philip Anderson, un alunno della University Laboratory High School nel campus U of I. Sorprendentemente, mentre il disordine tipicamente inibisce il trasporto e distrugge la topologia non banale, in questo sistema aiuta a stabilizzare una fase topologica.

L'osservazione è stata resa possibile grazie alla stretta collaborazione con un team internazionale di fisici teorici presso l'U di I, presso l'Istituto di Scienze Fotoniche (ICFO), e presso l'Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) in Spagna, che ha chiarito la fisica quantistica al lavoro e ha identificato la firma chiave che gli sperimentali dovrebbero cercare nel sistema.

Il fisico teorico Pietro Massignan di UPC e ICFO commenta, "Intuitivamente, si potrebbe pensare che il disordine debba giocare contro la conduttanza. Per esempio, correre è facile in campo aperto, ma diventa sempre più difficile man mano che ci si muove attraverso una foresta sempre più fitta. Ma qui mostriamo che un disturbo opportunamente adattato può effettivamente innescare alcune particolari eccitazioni conduttive, chiamate modalità edge topologicamente protette."

Meier è l'autore principale della carta. "Interessante, " Aggiunge, "in un sistema topologico 3-D o 2-D, quegli stati limite sarebbero caratterizzati da elettroni che scorrono liberamente. Ma in un sistema 1D come il nostro, gli stati limite siedono semplicemente lì, alle due estremità del filo. In ogni TI, gli stati limite hanno la dimensionalità del tuo sistema meno uno. Nel nostro isolante topologico 1D di Anderson, gli stati limite sono fondamentalmente solo punti. Mentre la fisica dei confini è in realtà un po' noiosa in questo sistema, c'è una ricca dinamica in corso nella maggior parte del sistema che è direttamente correlata alla stessa topologia:questo è ciò che abbiamo studiato."

L'osservazione sperimentale del gruppo convalida il concetto di isolanti topologici di Anderson che è stato elaborato circa un decennio fa. La fase dell'isolatore topologico di Anderson è stata scoperta per la prima volta teoricamente da J. Li et al. nel 2009, e la sua origine è stata ulteriormente spiegata da C. W. Groth, et al. quello stesso anno. Cinque anni dopo, un paio di opere, uno di A. Altland et al. e uno dal gruppo di Taylor Hughes alla U of I che lavora con il gruppo di Emil Prodan alla Yeshiva University, ha predetto il verificarsi dell'isolante topologico di Anderson in fili unidimensionali, come realizzato nei nuovi esperimenti del gruppo Gadway.

Gadway sottolinea, "Il nostro approccio a questa ricerca è stato davvero ispirato dalla previsione del 2014 di Taylor Hughes e del suo studente laureato Ian Mondragon-Shem presso l'Università di I. Taylor è stato un collaboratore chiave. Allo stesso modo, i nostri colleghi in Spagna hanno dato un enorme contributo nell'introdurre il concetto di spostamento chirale medio, che permette di misurare la topologia direttamente nella massa del materiale."

"Lavorare con Taylor, "Gadway aggiunge, "i nostri colleghi spagnoli hanno scoperto che lo spostamento chirale medio è essenzialmente equivalente all'invariante topologico di un tale sistema unidimensionale, qualcosa chiamato il numero di avvolgimento. Questo è stato fondamentale per essere in grado di prendere i dati sul sistema e mettere in relazione ciò che abbiamo visto nell'esperimento con la topologia del sistema. Questo è stato un progetto in cui avere uno stuolo di teorici in giro è stato di grande aiuto, sia per eseguire le misurazioni giuste sia per capire cosa significasse tutto ciò."

"Si tratta di un risultato entusiasmante in termini di potenziali applicazioni, " Afferma Gadway. "Questo suggerisce che potremmo essere in grado di trovare materiali reali che sono quasi topologici che potremmo manipolare attraverso il doping per impregnarli di queste proprietà topologiche. È qui che la simulazione quantistica offre un enorme vantaggio rispetto ai materiali reali:è utile per vedere effetti fisici molto sottili. Il nostro "disturbo del designer" è controllabile con precisione, dove in materiali reali, il disordine è disordinato come sembra, è incontrollabile".

"La configurazione sperimentale di Gadway è il sogno di un teorico, " aggiunge Massignan. "Era come giocare con i LEGO:il modello che immaginavamo poteva essere costruito passo dopo passo, in un vero laboratorio. Ogni singolo elemento dell'Hamiltoniana che avevamo in mente poteva essere implementato in modo molto attento, e cambiato in tempo reale."

Il ricercatore post-dottorato ICFO Alexandre Dauphin aggiunge, "Questa piattaforma è anche molto promettente per studiare gli effetti sia dell'interazione che del disordine nei sistemi topologici, che potrebbe portare a una nuova fisica entusiasmante."

Il direttore del programma NSF Alex Cronin sovrintende al programma di finanziamento che ha sostenuto questo sforzo sperimentale. Sottolinea l'importanza di questa ricerca fondamentale che impiega con successo sistemi quantistici ingegnerizzati per scoprire nuova fisica:"Prima di ottenere computer quantistici su vasta scala per studiare un'ampia gamma di sistemi esotici, abbiamo già simulatori quantistici come questo che stanno producendo risultati proprio ora. È emozionante vedere nuove scoperte fatte con simulatori quantistici come questo".

Questi risultati sono stati pubblicati online dalla rivista Scienza di giovedì, 11 ottobre, 2018. Dopo aver inviato il loro lavoro alla rivista, i ricercatori di questo studio hanno appreso dell'osservazione parallela di questo stesso fenomeno da parte di un altro gruppo di ricerca dell'Università di Rostock, Germania.

"Il loro team ha utilizzato guide d'onda fotoniche per imitare le proprietà fisiche di questo stesso tipo di sistema, e hanno studiato le proprietà al confine del sistema. Abbiamo usato atomi freddi e osservato le proprietà di massa per ottenere una visualizzazione davvero chiara della topologia, " Afferma Gadway. "Queste due opere erano complementari e insieme illustrano come diversi sistemi fisici possono essere controllati e fatti esibire lo stesso tipo di fenomeni interessanti".