Topologiska isolatorer (TI) är värd för exotisk fysik som kan kasta nytt ljus över de grundläggande naturlagarna. Vad mer, de ovanliga egenskaperna hos TI lovar oerhört mycket för tekniska tillämpningar, inklusive i kvantberäkning, nästa generations miniatyriserad datalagring, och spintronik. Forskare runt om i världen arbetar för att förstå de mikroskopiska egenskaperna hos dessa material som fritt leder elektricitet längs deras kanter även om deras bulk är en isolator.

Nu har ett team av experimentella fysiker vid University of Illinois i Urbana-Champaign gjort den första observationen av en specifik typ av TI som induceras av störningar. Professor Bryce Gadway och hans doktorander Eric Meier och Alex An använde atomisk kvantsimulering, en experimentell teknik som använder finjusterade lasrar och ultrakalla atomer ungefär en miljard gånger kallare än rumstemperatur, att efterlikna de fysiska egenskaperna hos endimensionella elektroniska ledningar med exakt inställbar störning. Systemet börjar med trivial topologi strax utanför regimen för en topologisk isolator; att lägga till störning knuffar systemet in i den icke-triviala topologiska fasen.

Denna typ av topologisk isolator som induceras av störning kallas den topologiska Anderson-isolatorn, uppkallad efter den noterade teoretiska fysikern och nobelpristagaren Philip Anderson, en alumn från University Laboratory High School på U of I campus. Förvånande, medan störning vanligtvis hämmar transport och förstör icke-trivial topologi, i detta system hjälper det till att stabilisera en topologisk fas.

Observationen möjliggjordes genom nära samarbete med ett internationellt team av teoretiska fysiker vid U of I, vid Institutet för fotoniska vetenskaper (ICFO), och vid Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) i Spanien, som klargjorde kvantfysiken i arbetet och identifierade nyckelsignaturen som experimentalisterna borde leta efter i systemet.

Teoretisk fysiker Pietro Massignan vid UPC och ICFO kommenterar, "Intuitivt, man skulle kunna tro att störning borde spela mot konduktans. Till exempel, löpning är lätt på ett öppet fält, men blir svårare och svårare när man rör sig genom en allt tätare skog. Men här visar vi att lämpligt anpassade störningar faktiskt kan utlösa några märkliga ledande excitationer, kallas topologiskt skyddade kantlägen."

Meier är huvudförfattare på tidningen. "Intressant, " han lägger till, "i ett 3-D eller 2-D topologiskt system, dessa kanttillstånd skulle karakteriseras av fritt flödande elektroner. Men i ett 1D-system som vårt, kantstaterna sitter bara där, i vardera änden av tråden. I vilken TI som helst, gränstillstånden har dimensionaliteten hos ditt system minus ett. I vår 1D topologiska Anderson-isolator, gränstillstånden är i princip bara punkter. Även om gränsfysiken faktiskt är lite tråkig i det här systemet, det pågår en rik dynamik i huvuddelen av systemet som är direkt relaterad till samma topologi - det här är vad vi studerade."

Gruppens experimentella observation validerar konceptet med topologiska Anderson-isolatorer som utarbetades för ungefär ett decennium sedan. Den topologiska Anderson-isolatorfasen upptäcktes först teoretiskt av J. Li et al. År 2009, och dess ursprung förklarades ytterligare av C. W. Groth, et al. samma år. Fem år senare, ett par verk, en av A. Altland et al. och en av gruppen Taylor Hughes vid U i I som arbetar med gruppen Emil Prodan vid Yeshiva University, förutspådde förekomsten av den topologiska Anderson-isolatorn i endimensionella ledningar, som realiserats i de nya experimenten från Gadway-gruppen.

Gadway betonar, "Vårt arbete med den här forskningen var verkligen inspirerad av 2014 års förutsägelse av Taylor Hughes och hans doktorand Ian Mondragon-Shem vid U. of I. Taylor var en viktig samarbetspartner. Likaså, våra kollegor i Spanien gjorde ett enormt bidrag med att introducera begreppet genomsnittlig kiral förskjutning, som gör det möjligt att mäta topologin direkt i huvuddelen av materialet."

"Att arbeta med Taylor, " tillägger Gadway, "Våra spanska kollegor fann att den genomsnittliga kirala förskjutningen i huvudsak är likvärdig med den topologiska invarianten för ett sådant endimensionellt system, något som kallas lindningsnumret. Detta var avgörande för att vi skulle kunna ta data om systemet och relatera det vi såg i experimentet till systemets topologi. Det här var ett projekt där det var en stor hjälp att ha en mängd teoretiker runt omkring, både för att utföra rätt mätningar och för att förstå vad det hela innebar."

"Detta är ett spännande resultat när det gäller potentiella applikationer, Gadway bekräftar. "Detta tyder på att vi kanske kan hitta verkliga material som är nästan topologiska som vi kan manipulera genom dopning för att genomsyra dem med dessa topologiska egenskaper. Det är här kvantsimulering erbjuder en enorm fördel jämfört med verkliga material – det är bra för att se fysiska effekter som är mycket subtila. Vår "designerstörning" är exakt kontrollerbar, var i verkliga material, störning är lika rörigt som det låter - det är okontrollerbart."

"Gadways experimentella upplägg är en teoretikers dröm, " tillägger Massignan. "Det var som att leka med LEGO:modellen vi tänkt oss kunde byggas steg-för-steg, i ett riktigt laboratorium. Varje enskilt element i Hamiltonian vi hade i åtanke kunde implementeras på ett mycket försiktigt sätt, och ändras i realtid."

ICFO:s postdoktor Alexandre Dauphin tillägger, "Denna plattform är också mycket lovande för att studera effekterna av både interaktion och störningar i topologiska system, som kan leda till spännande ny fysik."

NSF:s programchef Alex Cronin övervakar finansieringsprogrammet som stödde denna experimentella ansträngning. Han påpekar vikten av denna grundläggande forskning som framgångsrikt använder konstruerade kvantsystem för att avslöja ny fysik:"Innan vi får fullskaliga kvantdatorer för att studera ett brett spektrum av exotiska system, vi har redan kvantsimulatorer som den här som ger resultat just nu. Det är spännande att se nya upptäckter som görs med kvantsimulatorer som denna."

Dessa resultat publicerades online av tidskriften Vetenskap på torsdag, 11 oktober, 2018. Efter att ha skickat in sitt arbete till tidskriften, forskarna i denna studie fick reda på den parallella observationen av samma fenomen av ett annat forskarlag vid universitetet i Rostock, Tyskland.

"Deras team använde fotoniska vågledare för att efterlikna de fysiska egenskaperna hos samma typ av system, och de studerade egenskaper vid systemets gräns. Vi använde kalla atomer och observerade bulkegenskaper för att få en riktigt tydlig visualisering av topologin, " säger Gadway. "Dessa två verk kompletterade varandra och tillsammans illustrerar de hur olika fysiska system kan kontrolleras och fås att uppvisa samma typ av intressanta fenomen."