Inom fysik, vissa kvantiteter visas som heltalsmultiplar av fundamentala och odelbara element. Denna kvantisering av fysiska kvantiteter, som är kärnan i vår beskrivning av naturen, tog sig fram genom århundradena, vilket framgår av det antika konceptet om atomen. Viktigt, upptäckten av kvantiserade kvantiteter har ofta förknippats med en revolution i vår förståelse och uppskattning av naturens lagar, ett slående exempel är kvantiseringen av ljus i termer av fotoner, vilket ledde till vår samtida (kvantmekaniska) beskrivning av den mikroskopiska världen.

Ett internationellt team ledd av Prof. Nathan Goldman, Naturvetenskapliga fakulteten, Université libre de Bruxelles, förutspår en ny form av kvantiseringslag, som involverar en distinkt typ av fysisk observerbar:uppvärmningshastigheten för ett kvantsystem vid extern skakning. För att förstå detta koncept, låt oss först betrakta en enklare analog bild:När en isbit placeras i en mikrovågsugn, den senare exciterar vattenmolekylerna, vilket leder till en progressiv avsmältning av isen; under denna uppvärmningsprocess, antalet molekyler som bildar isen minskar med tiden, en process som kan kvantifieras genom en uppvärmningshastighet. I denna artikel, författarna visar hur, under särskilda omständigheter, sådana uppvärmningshastigheter måste uppfylla en elegant och exakt kvantiseringslag. Specifikt, författarna förklarar att detta fenomen äger rum när ett fysiskt system, som initialt bildar ett exotiskt tillstånd av materia (en topologisk fas), värms upp på ett kontrollerat sätt; vid uppvärmning, partiklar stöts ut från den topologiska fasen (i direkt analogi med issmältningen som beskrivits ovan) och motsvarande uppvärmningshastighet visas uppfylla den tidigare nämnda kvantiseringslagen.

En avgörande aspekt av denna nya kvantiseringslag är att den dikteras av den topologiska naturen hos systemets inledande fas, i direkt analogi med kvantiseringen av konduktansen i fasta ämnen. För att förstå denna analogi, vi påminner om att konduktansen, som bestämmer effektiviteten med vilken elektriska strömmar alstras i ett material, kan kvantiseras i termer av ett "konduktanskvantum"; detta är signaturen för kvanthalleffekten, som firades med två nobelpriser, 1985 och 1998. Ganska överraskande, denna kvantisering av konduktans visade sig vara djupt kopplad till ett grundläggande matematiskt koncept:topologi. Kortfattat, topologi syftar till att klassificera geometriska objekt enligt deras mest elementära egenskaper, till exempel, deras antal hål eller lindningar. Denna eleganta relation mellan den fysiska kvantiseringen av konduktans och det abstrakta begreppet topologi öppnade dörren till utforskningen av en bred familj av exotiska tillstånd av materia, de så kallade topologiska faserna, vars upptäckt nyligen hedrades av 2016 års Nobelpris i fysik. Upptäckten som rapporterats av det internationella teamet under ledning av professor Goldman erbjuder således ett nytt perspektiv på de spännande kopplingarna mellan kvantiseringslagar i fysik och topologi.

Förutom elegansen i denna nya kvantiseringslag för uppvärmningshastigheter, denna upptäckt har en viktig följd:att värma upp ett kvantsystem kan användas som en universell sond för exotiska tillstånd av materia. Författarna föreslår en fysisk plattform som är särskilt väl lämpad för dess experimentella förverkligande:en ultrakall gas av atomer fångade i ett optiskt gitter (ett periodiskt landskap skapat av ljus). Sådana inställningar är kända för att utgöra en idealisk verktygslåda för kvantteknik av topologisk materia, men också, för att implementera nya typer av mätningar. I praktiken, det föreslagna experimentet skulle bestå i att förbereda en topologisk fas, genom att ladda en ultrakall gas i ett optiskt gitter, och att därefter skaka detta galler på ett cirkulärt sätt; de resulterande uppvärmningshastigheterna skulle sedan extraheras genom att mäta antalet atomer som fanns kvar i den topologiska fasen efter en viss skakningstid.