Forskare från universitetet i Genève (UNIGE) och multiinstitutionella medarbetare har studerat BACOVO – ett endimensionellt kvantmaterial. De rapporterar att materialet uppvisar en ny topologisk fasövergång som styrs av två typer av topologisk excitation. Dessutom, de kunde välja vilken av de två typerna som skulle dominera den andra. Deras forskning publiceras i tidskriften Naturfysik .

Forskarna utgick från arbetet från 2016 års Nobelpristagare i fysik, David Thouless, Duncan Haldane och Michael Kosterlitz. De tre fysikerna förutspådde att en uppsättning topologiska excitationer i ett kvantmaterial sannolikt kommer att inducera en fasövergång. Många teorier har utvecklats om dessa topologiska excitationer, inklusive möjligheten att kombinera två av dem i ett enda material. Men är det en reell möjlighet? Och i så fall, vad skulle hända? Teamen från UNIGE och CEA, CNRS och UGA kunde ge den första experimentella bekräftelsen av teorin som förutsäger förekomsten av två samtidiga uppsättningar av topologiska excitationer och konkurrensen mellan dem. Fynden utgör en liten revolution i den mystiska världen av kvantegenskaper.

Forskarna från CEA, CNRS, och Université Grenoble Alpes arbetade på ett endimensionellt antiferromagnetiskt material med särskilda egenskaper:BACOVO (BaCo) ₂ V ₂ O ₈ ). "Vi utförde olika experiment på BACOVO, en oxid som kännetecknas av sin spiralformade struktur, " skrev forskarna. Men de experimentella resultaten visade på en förbryllande fasövergång - vilket är anledningen till att teamet kallade på Thierry Giamarchi, en professor vid institutionen för kvantmateriens fysik vid UNIGEs naturvetenskapliga fakultet.

Giamarchi säger, "Baserat på deras resultat, vi etablerade teoretiska ramverk som kan tolka dem. Dessa teoretiska modeller testades sedan igen med nya experiment så att de kunde valideras."

Syftet var att förstå hur BACOVOs kvantegenskaper fungerar, speciellt deras topologiska excitationer. Quentin Faure, Doktorand vid Institutet för nanovetenskap och kryogenik (CEA/UGA) och Néel Institute, säger, "För det här syftet, vi använde neutronspridning, vilket betyder att vi skickade en neutronstråle på materialet. Neutronerna beter sig som små magneter som interagerar med BACOVOs, enligt en strategi som karakteriseras som "stör för att avslöja, "hjälper oss att förstå deras egenskaper." När modellen som utvecklats vid UNIGE matchar experimentet, det blir materialets standardmodell. Professor Giamarchi säger, "Modellen vi etablerade med Shintaro Takayoshi förutspådde exakt resultatet som sågs i experimentet."

Men detta experiment ledde också till en upptäckt som forskarna inte hade förutsett. "Efter att ha bestämt sig för standardmodellen för BACOVO, vi observerade oväntade egenskaper, " säger Shintaro Takayoshi, forskare vid institutionen för kvantmateriens fysik vid UNIGEs naturvetenskapliga fakultet. När den placeras i ett magnetfält, BACOVO utvecklar en andra uppsättning topologiska excitationer som konkurrerar med den första, bekräftande teorier från 1970- och 1980-talen organiserade runt det fält som öppnades upp av Nobelforskarnas arbete. "Utöver att bevisa förekomsten av denna konfrontation mellan två uppsättningar topologiska excitationer inom samma material - en aldrig tidigare skådad händelse - kunde vi experimentellt kontrollera vilken uppsättning som skulle dominera den andra, ", tillägger Takayoshi.

Det som ursprungligen var en teoretisk hypotes blev ett verifierat experiment. Den djupgående analysen av BACOVO utförd av fysikerna visade att två uppsättningar topologiska excitationer kommer i direkt konfrontation i samma material och kontrollerar materiens tillstånd, som skiljer sig beroende på den dominerande mängden, ger en kvantfasövergång. Vidare, forskarna lyckades kontrollera vilken uppsättning som råder, vilket betyder att de kunde justera BACOVOs materiatillstånd efter behag. "Dessa resultat öppnar upp en hel rad möjligheter när det gäller kvantfysikforskning, " avslutar professor Giamarchi. "Det är sant att vi fortfarande är på den grundläggande nivån, men det är genom den här typen av upptäckter som vi varje dag kommer närmare tillämpningar för materialens kvantegenskaper – och varför inte kvantdatorer?"