Los aislantes topológicos TI albergan una física exótica que podría arrojar nueva luz sobre las leyes fundamentales de la naturaleza. Además, las propiedades inusuales de los TI son tremendamente prometedoras para aplicaciones tecnológicas, incluso en computación cuántica, almacenamiento de datos en miniatura de próxima generación yEspintrónica: los científicos de todo el mundo están trabajando para comprender las propiedades microscópicas de estos materiales que conducen libremente la electricidad a lo largo de sus bordes a pesar de que su volumen es un aislante.
Ahora, un equipo de físicos experimentales de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign ha realizado la primera observación de un tipo específico de TI inducido por el trastorno. El profesor Bryce Gadway y sus estudiantes graduados Eric Meier y Alex An utilizaron la simulación cuántica atómica,una técnica experimental que emplea láseres finamente sintonizados y átomos ultrafríos alrededor de mil millones de veces más fríos que la temperatura ambiente, para imitar las propiedades físicas de los cables electrónicos unidimensionales con un trastorno sintonizable con precisión. El sistema comienza con una topología trivial justo fuera del régimen de un aislante topológico;agregar desorden empuja al sistema a la fase topológica no trivial.
Este tipo de aislante topológico inducido por el trastorno se denomina aislante topológico de Anderson, llamado así por el conocido físico teórico y premio Nobel Philip Anderson, ex alumno de la Escuela Secundaria del Laboratorio Universitario en el campus de la U de I. Sorprendentemente, mientras que el trastorno generalmente inhibe el transportey destruye la topología no trivial, en este sistema ayuda a estabilizar una fase topológica.
La observación fue posible gracias a la estrecha colaboración con un equipo internacional de físicos teóricos en la U de I, en el Instituto de Ciencias Fotónicas ICFO y en la Universitat Politècnica de Catalunya UPC en España, que dilucidaron el cuantofísica en el trabajo e identificó la firma clave que los experimentadores deberían buscar en el sistema.
El físico teórico Pietro Massignan de la UPC y el ICFO comenta: "Intuitivamente, uno pensaría que el desorden debería jugar contra la conductancia. Por ejemplo, correr es fácil en un campo abierto, pero se vuelve más y más difícil a medida que uno se mueve a través de un bosque cada vez más denso.Pero aquí mostramos que el trastorno adecuadamente adaptado puede desencadenar algunas excitaciones conductoras peculiares, llamadas modos de borde protegidos topológicamente ".
Meier es el autor principal del artículo. "Curiosamente", agrega, "en un sistema topológico 3D o 2D, esos estados de borde se caracterizarían por electrones que fluyen libremente. Pero en un sistema 1D como el nuestro, los estados de borde simplemente se sientanallí, en cualquier extremo del cable. En cualquier TI, los estados límite tienen la dimensionalidad de su sistema menos uno. En nuestro aislador topológico Anderson 1D, los estados límite son básicamente solo puntos. Mientras que la física límite es realmente un poco aburridaEn este sistema, hay una dinámica dinámica en la mayor parte del sistema que está directamente relacionada con la misma topología: esto es lo que estudiamos ".
La observación experimental del grupo valida el concepto de aisladores topológicos de Anderson que se resolvió hace aproximadamente una década. La fase del aislador topológico de Anderson fue descubierta teóricamente por primera vez por J. Li et al. En 2009, y CW Groth explicó más a fondo su origen., et al., ese mismo año. Cinco años después, un par de obras, una de A. Altland et al. y otra del grupo de Taylor Hughes en la U de I que trabajaba con el grupo de Emil Prodan en la Universidad Yeshiva, predijeronla aparición del aislante topológico de Anderson en cables unidimensionales, como se dio cuenta en los nuevos experimentos del grupo Gadway.
Gadway enfatiza: "Nuestra participación en esta investigación se inspiró realmente en la predicción de 2014 de Taylor Hughes y su estudiante graduado Ian Mondragon-Shem en la U. de I. Taylor fue un colaborador clave. Del mismo modo, nuestros colegas en España hicieron ungran contribución en la introducción del concepto de desplazamiento quiral medio, que permite medir la topología directamente en la mayor parte del material ".
"Trabajando con Taylor", agrega Gadway, "nuestros colegas españoles descubrieron que el desplazamiento quiral medio es esencialmente equivalente al invariante topológico de dicho sistema unidimensional, algo llamado número de devanado. Esto fue crítico para que pudiéramostome los datos del sistema y relacione lo que vimos en el experimento con la topología del sistema. Este fue un proyecto en el que contar con un grupo de teóricos fue de gran ayuda, tanto para realizar las mediciones correctas como para comprender lo que significaba todo ".
"Este es un resultado emocionante en términos de aplicaciones potenciales", afirma Gadway. "Esto sugiere que podemos encontrar materiales reales que sean casi topológicos que podríamos manipular mediante dopaje para imbuirlos de estas propiedades topológicas. Aquí es dondeLa simulación cuántica ofrece una tremenda ventaja sobre los materiales reales: es buena para ver efectos físicos que son muy sutiles. Nuestro 'desorden de diseñador' es precisamente controlable, mientras que en los materiales reales, el desorden es tan desordenado como parece, es incontrolable ".
"La configuración experimental de Gadway es el sueño de un teórico", agrega Massignan. "Fue como jugar con LEGO: el modelo que imaginamos podría construirse paso a paso, en un laboratorio real. Cada elemento del Hamiltoniano que teníamos enla mente podría implementarse de una manera muy cuidadosa y cambiarse en tiempo real "
el investigador postdoctoral ICFO Alexandre Dauphin agrega: "Esta plataforma también es muy prometedora para estudiar los efectos de la interacción y el desorden en los sistemas topológicos, lo que podría conducir a una nueva física emocionante".
El Director del Programa NSF, Alex Cronin, supervisa el programa de financiación que apoyó este esfuerzo experimental. Señala la importancia de esta investigación fundamental que emplea con éxito sistemas cuánticos diseñados para descubrir nueva física: "Antes de obtener computadoras cuánticas a gran escala para estudiar una ampliagama de sistemas exóticos, ya tenemos simuladores cuánticos como este que están produciendo resultados en este momento. Es emocionante ver nuevos descubrimientos realizados con simuladores cuánticos como este ".
Estos resultados fueron publicados en línea por la revista ciencia el jueves 11 de octubre de 2018. Después de enviar su trabajo a la revista, los investigadores de este estudio se enteraron de la observación paralela de este mismo fenómeno por otro equipo de investigación en la Universidad de Rostock, Alemania.
"Su equipo utilizó guías de ondas fotónicas para imitar las propiedades físicas de este mismo tipo de sistema, y estudiaron las propiedades en el límite del sistema. Utilizamos átomos fríos y observamos propiedades a granel para obtener una visualización realmente clara de la topología,"Estados de la pasarela". Estas dos obras fueron complementarias y juntas ilustran cómo diversos sistemas físicos pueden ser controlados y hacer que exhiban el mismo tipo de fenómenos interesantes ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois . Original escrito por Siv Schwink. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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