I fisici dell'Università di Scienza e Tecnologia di Hong Kong (HKUST) e dell'Università di Pechino (PKU) hanno creato con successo la prima simulazione 3D al mondo di materia topologica costituita da atomi ultrafreddi. I precedenti tentativi di simulazioni di materia topologica erano limitati a dimensioni inferiori, a causa delle sfide su come caratterizzare la topologia a bande 3D nei sistemi atomici. Questa scoperta apre un'apertura per un ulteriore esame di nuova materia topologica che non può essere ben realizzata nei solidi. Tale ingegneria mai eseguita prima di materiale artificiale con atomi ultrafreddi potrebbe ora consentire ai fisici di modellare fasi insolite della materia.

Prof. Gyu-Boong Jo, Professore Associato del Dipartimento di Fisica dell'HKUST ha collaborato con il Prof. Xiong-Jun Liu, Professore della Scuola di Fisica della PKU e ha ideato una struttura reticolare cristallina artificiale, precedentemente proposto dal gruppo PKU, per modellare atomi ultrafreddi preparati a 30 miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto. Questa nuova materia quantistica sintetica è un semimetallo topologico 3-D spin-orbita accoppiato a linee nodali, e mostra una simmetria di gruppo magnetico emergente. I ricercatori hanno correlato lo spin dell'atomo con la direzione del movimento atomico, che ha reso topologico il comportamento complessivo dell'atomo. Con tale simmetria i ricercatori hanno dimostrato che la topologia della banda 3-D può essere risolta solo con l'imaging di modelli di spin 2-D sui piani simmetrici, e ulteriormente osservato con successo il semimetallo topologico 3-D nell'esperimento. Le tecniche di rilevamento utilizzate qui possono essere generalmente applicate per esplorare tutti gli stati topologici 3-D di simmetrie simili quando diventano disponibili.

La ricerca è stata recentemente pubblicata online in Fisica della natura il 29 luglio, 2019.

La complessa materia topologica è diventata il fulcro della ricerca sia industriale che accademica perché è vista come un modo per aprire la strada a rendere il calcolo quantistico più robusto e privo di rumore. I computer quantistici fisici di oggi sono ancora rumorosi, e la correzione degli errori quantistici è un campo di ricerca in crescita. L'obiettivo del calcolo quantistico tollerante ai guasti ha spinto gli investimenti in materia topologica complessa.

La materia topologica è classificata dalle proprietà geometriche dello stato quantistico nel materiale. La natura topologica del materiale significa che tende a resistere alle imperfezioni all'interno di un sistema operativo e contiene anche il potenziale per altre proprietà esotiche ancora sconosciute.

"Il nostro lavoro apre molte possibilità per lo sviluppo di nuovi materiali topologici che non si trovano in natura, " ha affermato il prof. Jo. "Questo sviluppo dimostra che esiste una nuova possibilità di esplorare materiale topologico complesso in 3-D, e fornirà una piattaforma utile per la simulazione quantistica".

"Questo è un progresso rivoluzionario per la simulazione quantistica con atomi ultrafreddi, " ha affermato il Prof. Liu. "Consente l'indagine sperimentale e l'osservazione di fasi non banali di tutte le dimensioni fisiche, compresi vari isolanti, semimetallo, e fasi superfluide con topologia non banale in atomi ultrafreddi."