Gli elettroni non sono solo piccole sfere, rimbalzare attraverso un materiale come una palla di gomma. Le leggi della fisica quantistica ci dicono che gli elettroni si comportano come onde. In alcuni materiali, queste onde elettroniche possono assumere forme piuttosto complicate. I cosiddetti "materiali topologici" producono stati elettronici che possono essere molto interessanti per applicazioni tecniche, ma è estremamente difficile identificare questi materiali e i loro stati elettronici associati.

TU Wien (Vienna) e diversi gruppi di ricerca cinesi hanno ora sviluppato nuove idee e le hanno implementate in un esperimento. Viene creato un "cristallo" fatto di onde luminose per contenere gli atomi in uno schema geometrico molto speciale. Questi "cristalli di luce", che sono stati usati in modi diversi per la manipolazione degli atomi, può ora essere utilizzato per guidare deliberatamente il sistema fuori equilibrio. Passando tra stati semplici e complicati, il sistema rivela se ha o meno stati topologicamente interessanti. Questi risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista Lettere di revisione fisica .

Panini e Ciambelle

L'importanza della topologia può essere facilmente vista se mettiamo troppe cose in una borsa della spesa:un panino può essere leggermente schiacciato e schiacciato in una forma simile a una banana. I panini e le banane hanno la stessa struttura geometrica di base, topologicamente sono uguali. D'altra parte, una ciambella ha un buco nel mezzo:la sua topologia è diversa. Anche se leggermente schiacciato, la sua forma è ancora facilmente distinguibile da quella del panino.

"È simile con gli stati quantistici, " spiega il prof. Jörg Schmiedmayer del Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) presso TU Wien. "Gli stati quantistici possono avere una topologia non banale che li protegge rispetto a determinate perturbazioni. Questo è ciò che li rende così interessanti per la tecnologia, perché hai sempre a che fare con le perturbazioni in ogni esperimento e in ogni applicazione tecnologica del mondo reale." Nel 2016, il Premio Nobel per la Fisica per la ricerca è stato assegnato per la ricerca sugli stati topologici della materia, ma è ancora considerato estremamente difficile determinare se un certo materiale permetta o meno stati quantistici topologicamente interessanti.

"Stati quantistici che non sono in equilibrio, stanno cambiando rapidamente, " dice Jörg Schmiedmayer. "Questa dinamica è notoriamente difficile da capire, ma come abbiamo mostrato, è un ottimo modo per ottenere informazioni estremamente interessanti sul sistema." Schmiedmayer ha collaborato con gruppi di ricerca cinesi. "L'esperimento è stato condotto dal prof. Shuai Chen, nel gruppo di ricerca del Prof. Jian-Wei Pan. Entrambi erano una volta collaboratori del mio gruppo a Heidelberg, e fin dal loro ritorno in Cina, abbiamo lavorato a stretto contatto, " afferma Schmiedmayer. La TU Vienna e la Chinese University of Science and Technology (USTC, Heifei, Cina) ha firmato un accordo di cooperazione nel 2016, che ha rafforzato la cooperazione nella ricerca, soprattutto nel campo della fisica.

Uno squilibrio che rivela le proprietà dei materiali

Con l'aiuto di onde luminose interferenti, gli atomi possono essere tenuti in luoghi predefiniti, creando una griglia regolare di atomi, simile a un cristallo, gli atomi che assumono i ruoli degli elettroni in un cristallo allo stato solido. Cambiando la luce, la geometria della disposizione atomica può essere cambiata, per esaminare come si comporterebbe lo stato dell'elettrone in un vero materiale allo stato solido.

"Con questo cambiamento, si sta generando improvvisamente un enorme squilibrio, " dice Jörg Schmiedmayer. "Gli stati quantistici devono riorganizzarsi e avvicinarsi a un nuovo equilibrio, proprio come le palle che rotolano giù per una collina finché non trovano l'equilibrio nella valle. E durante questo processo possiamo vedere chiare firme che ci dicono se si trovano o meno stati topologicamente interessanti. "

Questa è una nuova importante intuizione per la ricerca sui materiali topologici. Si potrebbero anche adattare i cristalli di luce artificiale per simulare determinate strutture cristalline e per trovare nuovi materiali topologici.