Gli isolanti conduttivi ai bordi promettono interessanti applicazioni tecnologiche. Però, fino ad ora le loro caratteristiche non sono state pienamente comprese. I fisici della Goethe University hanno ora modellato i cosiddetti isolanti topologici con l'aiuto di gas quantistici ultrafreddi. Nel numero attuale di Lettere di revisione fisica , dimostrano come gli stati limite potrebbero essere rilevati sperimentalmente.

Immagina un disco costituito da un isolante con un bordo conduttore lungo il quale una corrente scorre sempre nella stessa direzione. "Questo rende impossibile che una particella quantistica venga ostacolata, perché lo stato di fluire nell'altra direzione semplicemente non esiste, " spiega Bernhard Irsigler, il primo autore dello studio. In altre parole:nello stato limite, la corrente scorre senza resistenza. Questo potrebbe essere usato, Per esempio, per aumentare la stabilità e l'efficienza energetica dei dispositivi mobili. Sono in corso ricerche anche su come utilizzarlo per costruire laser più efficienti.

Negli ultimi anni, sono stati prodotti anche isolanti topologici in gas quantistici ultrafreddi per comprenderne meglio il comportamento. Questi gas si formano quando un gas normale viene raffreddato a temperature comprese tra un milionesimo e un miliardesimo di grado sopra lo zero assoluto. Questo rende i gas quantistici ultrafreddi i luoghi più freddi dell'universo. Se un gas quantistico ultrafreddo viene prodotto anche in un reticolo ottico fatto di luce laser, gli atomi di gas si dispongono regolarmente come nel reticolo cristallino di un solido. Però, a differenza di un solido, molti parametri possono essere variati, permettendo di studiare stati quantistici artificiali.

"Ci piace chiamarlo simulatore quantistico perché questo tipo di sistema rivela molte cose che accadono nei solidi. Usando gas quantistici ultrafreddi nei reticoli ottici, possiamo comprendere la fisica di base degli isolanti topologici, " spiega il coautore Jun-Hui Zheng.

Una differenza significativa tra un solido e un gas quantistico, però, è che i gas a forma di nuvola non hanno bordi definiti. Quindi, come fa un isolante topologico in un gas ultrafreddo a decidere dove si trovano i suoi stati limite? I ricercatori del gruppo di ricerca del professor Walter Hofstetter presso l'Istituto di fisica teorica dell'Università di Goethe rispondono a questa domanda nel loro studio. Hanno modellato una barriera artificiale tra un isolatore topologico e un isolatore normale. Questo rappresenta il bordo dell'isolatore topologico lungo il quale si forma lo stato del bordo conduttore.

"Dimostriamo che lo stato limite è caratterizzato da correlazioni quantistiche che potrebbero essere misurate in un esperimento utilizzando un microscopio a gas quantistico. Harvard University, Il MIT e il Max-Planck-Institute for Quantum Optics di Monaco eseguono tutti questo tipo di misurazioni, " dice Hofstetter. Un microscopio a gas quantistico è uno strumento con il quale è possibile rilevare singoli atomi negli esperimenti. "Per il nostro lavoro, è fondamentale che si tenga esplicitamente conto dell'interazione tra le particelle del gas quantistico. Ciò rende l'indagine più realistica, ma anche molto più complicato. I calcoli complessi non potrebbero essere eseguiti senza un supercomputer. Di particolare importanza per noi è anche la stretta collaborazione con i principali scienziati europei nell'ambito dell'Unità di ricerca DFG "Artificial Gauge Fields and Interacting Topological Phases in Ultracold Atoms", " aggiunge Hofstetter.