Med hjälp av en atomisk kvantsimulator, forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign har uppnått den första direkta observationen av kirala strömmar i modellens topologiska isolator, 2-D heltal quantum Hall-systemet.

Topologiska isolatorer (TI) är utan tvekan den mest lovande klassen av material som upptäckts under de senaste åren, med många potentiella applikationer teoretiserade. Det beror på att TI uppvisar en speciell kvalitet:materialets yta leder elektricitet, medan huvuddelen fungerar som en isolator. Under det senaste decenniet har forskare har utförligt undersökt de mikroskopiska egenskaperna hos TI, för att bättre förstå den grundläggande fysiken som styr deras speciella beteende.

Atomen kvantsimulering har visat sig vara ett viktigt verktyg för att undersöka egenskaper hos TI, eftersom det ger forskare större kontroll och större möjligheter att utforska regimer som för närvarande inte är tillgängliga i verkligt material. Finstämda laserstrålar används för att fånga ultrakylda rubidiumatomer (ungefär en miljard gånger kallare än rumstemperatur) i en gitterstruktur som exakt simulerar strukturen av idealiska material.

Alex An, en fysikstudent som arbetar under biträdande professor Bryce Gadway i Illinois, är huvudförfattare till studien, "Direkt observation av kirala strömmar och magnetisk reflektion i atomflödesgitter, "publicerades nyligen i Vetenskapliga framsteg .

Det 2-D heltaliga kvant Hall-systemet i verkliga material kännetecknas av ett magnetfält som gör att elektroner gör slutna banor-till exempel en enkel sluten kvadratisk bana runt fyra platser i ett tvådimensionellt kvadratgitter-för att förvärva ett fasskifte känd som en Aharonov-Bohm-fas. Storleken på detta fasskift beror på styrkan hos det magnetfält som omges av banan.

En förklarar, "Både i det elektroniska systemet och i vårt simulerade system, magnetfält ger upphov till otriviell topologi:medan partiklar i huvuddelen av systemet genomgår banor runt celler med fyra platser, kantpartiklarna kan inte genomgå hela banor och flyter istället cykliskt runt kanten på hela systemet, genererar kirala strömmar. Dessa mikroskopiska fenomen leder till en makroskopisk kvantiserad konduktans, som har mätts i material som grafen och i 2D -elektrongaser baserat på halvledar heterostrukturer. "

För denna studie, laget utvecklade en ny atom-kvantsimuleringsteknik som gjorde det möjligt för forskarna att direkt observera de kirala strömmarna för första gången någonsin. Forskarna använde ungefär ett dussin lasrar för att fånga och kyla rubidiumatomer till nano-Kelvin-temperaturer. Därefter konfigurerade de ultrakylda atomerna i ett periodiskt gitter, i exakt analogi med elektroner i den periodiska kristallstrukturen av ett verkligt material. Sedan, använder sin nya teknik, forskarna manipulerade det syntetiska magnetfältet för att observera elektronernas uppträdande beteende.

"Medan andra forskare som arbetar med atom-molekylär-optisk fysik skapar detta gitter i verkliga rymden, vi länkar istället atomiska momentumtillstånd för att skapa ett gitter som inte är i verkligheten, fysisk dimension, men i en "syntetisk" dimension, eller momentumutrymme, "En skiljer sig åt." Vi länkar dessa tillstånd med hjälp av ett par laserstrålar som kan ge foton atom i åtskilda grupper. "

En fortsätter med att förklara hur detta nya tillvägagångssätt erbjuder större kontroll över gitterparametrarna på individuell platsnivå, låta forskarna konstruera faser på atomerna när de färdas mellan gitterplatserna.

"Med tillägg av ett andra par laserstrålar, vi skapar en helsyntetisk, 2-D gitter av momentumtillstånd, " han fortsätter, "På grund av vår platslösta kontroll över gitteret, vi kan applicera olika syntetiska magnetflöden till varje cell med fyra platser. Så där tidigare studier har konstruerat tvådimensionella system med en verklig rymddimension och en syntetisk dimension, vårt helt syntetiska tillvägagångssätt gör att vi kan göra några unika saker.

"Först, vi har förmågan att skapa såväl homogena som inhomogena flödesmönster-det senare är för närvarande inte uppnåeligt i real-space-system. För det andra, vi visar förmågan att snabbt och enkelt ställa in flödet av ett homogent fält över hela flödesvärdena-detta har nu uppnåtts i en real-space-installation, ungefär samtidigt som vårt arbete. Och slutligen, vår nya teknik möjliggör direkt platsupplöst observation av kirala strömmar. Direkt observation av de underliggande kirala strömmarna har inte varit möjlig i verkliga material. "

I studien om homogen flöde, laget observerade de kirala strömmarna i ett homogent konstgjort magnetfält för hela intervallet av applicerade flödesvärden (-π till π). Ett positivt flöde fick ytatomerna att flöda medurs runt systemet, och ett negativt flöde framkallade en motsats, flödet moturs. Det konstruerade systemet gjorde det möjligt för laget att snabbt och enkelt ställa in det applicerade flödet över hela flödesvärdet, bortom sortimentet av konventionella material och med mer mångsidighet än atomsystem i verkligheten.

Sedan, i den inhomogena flödesstudien, laget konstruerade en skarp dislokation i det artificiella magnetfältet genom att kombinera detta topologiskt icke -privata system med ett topologiskt trivialt område med nollflöde. De observerade att atompopulationen reflekterades utanför gränsen mellan dessa två regioner, med maximal reflektion vid den största skillnaden i flöde. En mer traditionell reflektionskänsla, som en boll som hoppar av från en vägg, kräver en förändring av det potentiella energilandskapet. Dock, denna magnetiska reflektion sker enbart på grund av skillnaden i topologi. Detta fenomen skulle vara mycket svårt att studera med andra atomsystem, och skulle i princip vara omöjligt att studera i verkligt elektroniskt material. "För ett riktigt elektroniskt material, konstruera en sådan stegliknande ökning av magnetflödet skulle kräva ett hopp av magnetfältstyrkor med 104 Tesla över bara några ångström - en galen situation som vi dock kan simulera med hjälp av ett kontrollerat atomsystem, säger Gadway.

A betonar att medan TI har enorma konsekvenser för framtida applikationer inom teknik, detta är grundforskning, och dessa fynd går inte omedelbart in i en fickformad enhet som en smartphone.

"Vi hoppas kunna belysa liknande fenomen i verkliga material genom att studera dem i vårt atomsystem, "delar An." Heltalet kvant Hall -effekt som vi studerar i detta arbete är präglat av makroskopiska fenomen som kvantiserad konduktans som har studerats i verkliga material, men det underliggande, mikroskopiska kirala kanttillstånd som ger upphov till dessa fenomen har varit utom räckhåll för verkliga material - men inte utom räckhåll för vårt system! Liknande, vi hoppas kunna få mer inblick i de bakomliggande funktionerna i mer komplexa system, drivs av en grundläggande önskan att förstå och som ett sätt att så småningom konstruera verkliga material som visar samma egenskaper. "

I framtida studier, teamet planerar att konstruera system med liknande tvådimensionella geometrier, med mer komplexa topologiska drag.

"Ett av dessa system består av två kopplade topologiska ledningar som de som presenterades i vårt tidigare arbete med Su-Schrieffer-Heeger-modellen. Gruppen av Smitha Vishveshwara har förutspått att genom att lägga till specifik störning i detta system, vi kanske kan undersöka det svårfångade Hofstadter -fjärilspektrumet. Vi hoppas också kunna studera en ny typ av "multipolisolator" -system som nyligen föreslagits av Wladimir Benalcazar, Taylor Hughes, och medarbetare. Detta system skulle kännetecknas av topologiska hörnlägen som bär fraktionerad kvantiserad laddning. "