Topologiska isolatorer, en spännande, relativt ny materialklass, kan transportera elektricitet längs kanten av ytan, medan huvuddelen av materialet fungerar som en elektrisk isolator. Praktiska tillämpningar för dessa material är fortfarande mest teoretiska, som forskare undersöker deras mikroskopiska egenskaper för att bättre förstå den grundläggande fysiken som styr deras speciella beteende.

Med hjälp av atomisk kvantsimulering, en experimentell teknik som innefattar finstämda lasrar och ultrakylda atomer ungefär en miljard gånger kallare än rumstemperatur, för att replikera egenskaperna hos en topologisk isolator, ett team av forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign har direkt för första gången observerat det skyddade gränsläget (det topologiska solitontillståndet) för den topologiska isolatorn trans-polyacetylen. Transportegenskaperna hos denna organiska polymer är typiska för topologiska isolatorer och för Su-Schrieffer-Heeger (SSH) -modellen.

Fysikstudenterna Eric Meier och Fangzhao Alex An, arbetar med biträdande professor Bryce Gadway, utvecklat en ny experimentell metod, ett konstruerat tillvägagångssätt som gör att laget kan undersöka fenomen för kvanttransport.

"Kantsimulering möjliggör några unika möjligheter jämfört med direktstudier av elektrontransport i verkliga material, "förklarar Gadway." En viktig fördel med att använda neutrala atomer är förmågan att manipulera dem efter behag genom användning av laserljus och andra elektromagnetiska fält. Genom att ändra detaljerna i dessa kontrollfält, vi kan, till exempel, lägga till skräddarsydd störning för att studera lokaliseringsfenomen eller bryta symmetrier i systemet på ett kontrollerat sätt, som genom införandet av ett stort effektivt magnetfält. Det slutliga målet är att använda ett så välkontrollerat system i regimen där partiklar interagerar starkt, och utforska nya fenomen vars uppkomst vi inte skulle ha kunnat förutsäga utifrån enskilda atoms beteende. "

Teamets nya metod tar denna idé om systemdesign, eller "Hamiltonian engineering, "till det yttersta, låta forskarna styra varje enskilt element som styr transporten av enstaka partiklar.

"Just den här studien var viktig eftersom vi för första gången visade att vi kan använda denna metod för att realisera topologiskt icke -privata system, och det finns ett starkt löfte för framtida förverkligande av interaktion, topologiska system av atomer. "Meier kommenterar." Vår är den första studien av detta slag som möjliggör lokalupplöst detektering av de topologiska gränstillstånden och sondering av deras struktur på ett faskänsligt sätt. "Resultaten publiceras i december 23, 2016 nummer av Naturkommunikation .

Su-Schrieffer-Heeger-modellen är läroboksmodellen för en topologisk isolator, visar de flesta av de främsta egenskaperna som är associerade med topologiska system - en topologisk fas med skyddade gränstillstånd och en isolerande systemmassa. I konjugerade polymerer som polyacetylen, det topologiska solitontillståndet är associerat med den dimeriserade strukturen av alternerande enkel- och dubbelbindningar längs molekylens ryggradskedja. Skyddade elektroniska tillstånd visas vid gränsen mellan regioner med motsatt växelordning, och ger upphov till några unika transportegenskaper, inklusive en ökning av elektrisk konduktivitet med cirka nio storleksordningar under lätt dopning med föroreningar.

En förklarar, "Några av de mest intressanta aspekterna av topologiska system är ganska subtila eller förlitar sig på finjustering av systemparametrarna. Konstruerade kvantsystem-kalla atomer, fotoniska simulatorer, supraledande qubits, etc. - är bättre rustade för att utforska dessa typer av fenomen. Anledningen till detta är att de i allmänhet är fria från den inneboende störningen, både materiell störning och termiska fluktuationer, det skulle vara svårt att undvika i ett konventionellt kondensationssystem. "

Teamets nya teknik lovar ytterligare undersökningar av topologiska systems grundläggande beteende. Ytterligare experiment pågår redan, utvidga detta arbete till tvådimensionella kvant-Hall-system och utforskning av topologiska isolatorer i närvaro av störning.

"Den intressanta aspekten av vår studie är att vi direkt kunde observera de topologiska gränstillstånden för detta system och undersöka dem på ett faskänsligt sätt med atomfysisk teknik, "Gadway summerar." Framtida experiment, liknande i ven men i ett något annorlunda experimentsystem, kan möjliggöra utforskning av starkt korrelerade transportfenomen som inte är tillgängliga med klassisk simulering. Det största målet för vår grupp inom en snar framtid är att observera påverkan av atomiska interaktioner i ett sådant system. Särskilt, det faktum att våra atomer bildar en interagerande kvantvätska gör att de naturligt kan stödja lokala interaktioner i det konstruerade modellsystemet. Vi hoppas snart kunna undersöka påverkan av dessa interaktioner. "