Los aislantes topológicos, una clase emocionante y relativamente nueva de materiales, son capaces de transportar electricidad a lo largo del borde de la superficie, mientras que la mayor parte del material actúa como un aislante eléctrico. Las aplicaciones prácticas para estos materiales son principalmente una cuestión de teoría, mientras los científicos analizan sus propiedades microscópicas para comprender mejor la física fundamental que rige su comportamiento peculiar.
Utilizando la simulación cuántica atómica, una técnica experimental que involucra láseres finamente sintonizados y átomos ultrafríos aproximadamente mil millones de veces más fríos que la temperatura ambiente, para replicar las propiedades de un aislante topológico, un equipo de investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign haobservó directamente por primera vez el estado límite protegido el estado de solitón topológico del aislante topológico trans-poliacetileno. Las propiedades de transporte de este polímero orgánico son típicas de los aislantes topológicos y del modelo Su-Schrieffer-Heeger SSH.
Los estudiantes de posgrado de Física Eric Meier y Fangzhao Alex An, trabajando con el profesor asistente Bryce Gadway, desarrollaron un nuevo método experimental, un enfoque de ingeniería que permite al equipo sondear fenómenos de transporte cuántico.
"La simulación cuántica permite algunas capacidades únicas en comparación con los estudios directos del transporte de electrones en materiales reales", explica Gadway. "Una ventaja principal de usar átomos neutros es la capacidad de manipularlos a voluntad mediante el uso de luz láser y otroscampos electromagnéticos. Al cambiar los detalles de estos campos de control, podemos, por ejemplo, agregar un desorden personalizado para estudiar los fenómenos de localización o romper las simetrías del sistema de manera controlada, como a través de la introducción de un gran campo magnético efectivo. El objetivo finales utilizar un sistema tan bien controlado en el régimen donde las partículas interactúan fuertemente y explorar nuevos fenómenos cuya aparición no hubiéramos podido predecir en función del comportamiento de los átomos individuales ".
El nuevo método del equipo lleva esta idea del diseño del sistema, o "ingeniería hamiltoniana", al extremo, permitiendo a los investigadores controlar cada elemento individual que gobierna el transporte de partículas individuales.
"Este estudio en particular fue importante porque mostramos por primera vez que podemos usar este método para realizar sistemas topológicamente no triviales, y hay una gran promesa para la realización futura de sistemas topológicos de átomos interactivos", comenta Meier.el primer estudio de este tipo que permite la detección resuelta en el sitio de los estados límite topológicos y el sondeo de su estructura de una manera sensible a las fases ". Los resultados se publican en la edición del 23 de diciembre de 2016 de Comunicaciones de la naturaleza .
El modelo Su-Schrieffer-Heeger es el modelo de libro de texto de un aislante topológico, que muestra la mayoría de las características sobresalientes asociadas con los sistemas topológicos: una fase topológica con estados límite protegidos y un sistema de aislamiento a granel. En polímeros conjugados como el poliacetileno, elEl estado de solitón topológico está asociado con la estructura dimerizada de enlaces simples y dobles alternos a lo largo de la cadena principal de la molécula. Los estados electrónicos protegidos aparecen en el límite entre regiones con un orden alternativo opuesto, y dan lugar a algunas propiedades de transporte únicas, incluido un aumento en la electricidad.conductividad en aproximadamente nueve órdenes de magnitud bajo luz dopada con impurezas.
An explica: "Algunos de los aspectos más interesantes de los sistemas topológicos son bastante sutiles o dependen del ajuste fino de los parámetros del sistema. Los sistemas cuánticos diseñados átomos fríos, simuladores fotónicos, qubits superconductores, etc. están mejor equipadospara la exploración de este tipo de fenómenos. La razón de esto es que generalmente están libres del trastorno intrínseco, tanto el trastorno material como las fluctuaciones térmicas, que serían difíciles de evitar en un sistema convencional de materia condensada ".
La nueva técnica del equipo es prometedora para futuras investigaciones sobre el comportamiento fundamental de los sistemas topológicos. Experimentos adicionales ya están en marcha, extendiendo este trabajo a sistemas cuánticos bidimensionales de tipo Hall y la exploración de aisladores topológicos en presencia de desorden.
"El aspecto interesante de nuestro estudio es que pudimos observar directamente los estados límite topológicos de este sistema y sondearlos de una manera sensible a las fases con técnicas de física atómica", resume Gadway. "Experimentos futuros, similares en venapero en un sistema experimental ligeramente diferente, podría permitir la exploración de fenómenos de transporte fuertemente correlacionados inaccesibles por simulación clásica. El objetivo más importante de nuestro grupo en el futuro cercano es observar la influencia de las interacciones atómicas en dicho sistema. En particular, el hechoque nuestros átomos forman un fluido cuántico que interactúa les permite apoyar naturalmente las interacciones locales en el sistema modelo diseñado. Esperamos probar la influencia de estas interacciones muy pronto ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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