La simmetria è una caratteristica fondamentale in natura. Comprendere i meccanismi che rompono le simmetrie è essenziale per la ricerca scientifica. Rottura spontanea di simmetria (SSB), in particolare, si verifica quando le fluttuazioni termiche o quantistiche guidano un sistema da uno stato simmetrico a uno stato ordinato, come accade quando un liquido si trasforma in solido. Questo meccanismo consente ai ricercatori di classificare diverse fasi della materia secondo i diversi schemi generati dalla simmetria rotta.

Negli ultimi decenni, la topologia è stata anche riconosciuta come una caratteristica cruciale per descrivere come la materia è organizzata a livello fondamentale. In questo caso, non è più la rottura di certe simmetrie, ma la loro conservazione, che dà origine a nuovi stati della materia, le cosiddette fasi topologiche protette da simmetria (SPT). Diverse fasi topologiche potrebbero presentare le stesse simmetrie, ma possono essere distinti da un invariante topologico globale, che assume valori interi e si conserva sotto deformazioni continue.

La ricerca attuale nella fisica della materia condensata mira a capire come competono la rottura della simmetria e la protezione della simmetria, in particolare in presenza di interazioni. In un recente articolo pubblicato su Comunicazioni sulla natura , I ricercatori ICFO Daniel Gonzalez e Przemyslaw Grzybowski, guidato da Alexandre Dauphin e dal Prof. ICREA presso ICFO Maciej Lewenstein, in collaborazione con Alejandro Bermudez dell'Universidad Complutense di Madrid, riportare come questi due processi cooperano, dando luogo a nuovi effetti topologici fortemente correlati.

Nel loro studio, i ricercatori hanno dimostrato come, in presenza di forti interazioni, una simmetria protettrice emerge alle basse energie dall'insieme delle configurazioni vincolate dalla rottura di una diversa simmetria. Questa simmetria emergente stabilizza una fase topologica intrecciata, dove le proprietà topologiche coesistono con la presenza di ordine a lungo raggio. Inoltre, dimostrano come questa interazione dia origine a interessanti effetti statici e dinamici, come un trasporto di particelle topologicamente protetto quantizzato a valori frazionari. Per questo, studiano un modello reticolare microscopico, il modello Z2-Bose-Hubbard, che può essere implementato sperimentalmente utilizzando sistemi atomici ultrafreddi.

I risultati di questo studio aprono una finestra nel campo delle fasi topologiche nei materiali, aprendo la strada a ulteriori esplorazioni di caratteristiche topologiche esotiche in sistemi quantistici fortemente correlati.