Elektroner är inte bara små sfärer, studsar genom ett material som en gummiboll. Kvantfysikens lagar säger att elektroner beter sig som vågor. I vissa material, dessa elektronvågor kan anta ganska komplicerade former. De så kallade "topologiska materialen" producerar elektrontillstånd som kan vara mycket intressanta för tekniska tillämpningar, men det är extremt svårt att identifiera dessa material och deras tillhörande elektroniska tillstånd.

TU Wien (Wien) och flera forskargrupper från Kina har nu utvecklat nya idéer och implementerat dem i ett experiment. En "kristall" gjord av ljusvågor skapas för att hålla atomer i ett mycket speciellt geometriskt mönster. Dessa "lätta kristaller", som har använts på olika sätt för manipulation av atomer, kan nu användas för att avsiktligt driva systemet ur jämvikt. Genom att växla mellan enkla och komplicerade tillstånd, systemet avslöjar om det har topologiskt intressanta tillstånd eller inte. Dessa fynd har nu publicerats i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Bröd och munkar

Topologins betydelse kan lätt ses om vi packar för många saker i en shoppingpåse:en brödrulle kan krossas något och pressas till en form som liknar en banan. Frallor och bananer har samma grundläggande geometriska struktur, topologiskt är de desamma. Å andra sidan, en munk har ett hål i mitten - dess topologi är annorlunda. Även om det är något pressat, dess form kan fortfarande lätt skiljas från formen på brödrullen.

"Det är liknande med kvanttillstånd, "förklarar professor Jörg Schmiedmayer från Wien Center for Quantum Science and Technology (VCQ) vid TU Wien." Kvantstater kan ha en icke -topisk topologi som skyddar dem med avseende på vissa störningar. Det är det som gör dem så intressanta för teknik, för att du alltid måste hantera störningar i varje experiment och i alla tekniska tillämpningar i verkliga världen. "2016, Nobelpriset i fysik för forskning delades ut för forskning om materiens topologiska tillstånd, men det anses fortfarande vara extremt svårt att avgöra om ett visst material tillåter topologiskt intressanta kvanttillstånd.

"Kvanttillstånd som inte är i jämvikt, förändras snabbt, "säger Jörg Schmiedmayer." Denna dynamik är notoriskt svår att förstå, men som vi har visat, det är ett utmärkt sätt att få extremt intressant information om systemet." Schmiedmayer samarbetade med forskarlag från Kina. "Experimentet leddes av Prof. Shuai Chen, i forskargruppen för professor Jian-Wei Pan. Båda var en gång medarbetare i min grupp i Heidelberg, och ända sedan deras återkomst till Kina, vi har arbetat nära tillsammans, "säger Schmiedmayer. TU Wien och Chinese University of Science and Technology (USTC, Heifei, Kina) tecknade ett samarbetsavtal 2016, som stärkte forskningssamarbetet, speciellt inom fysikområdet.

En obalans som avslöjar materialegenskaper

Med hjälp av störande ljusvågor, atomer kan hållas på fördefinierade platser, skapa ett vanligt rutnät av atomer, liknar en kristall, atomerna tar elektronernas roller i en kristall i fast tillstånd. Genom att byta ljus, atomarrangemangets geometri kan ändras, för att undersöka hur elektronstaterna skulle bete sig i ett riktigt solid state -material.

"Med denna förändring, en massiv obalans genereras plötsligt, " säger Jörg Schmiedmayer. "Kvanttillstånden måste ordnas om och närma sig en ny jämvikt, ungefär som bollar som rullar nerför en kulle tills de hittar jämvikt i dalen. Och under denna process kan vi se tydliga signaturer som berättar om topologiskt intressanta stater ska hittas eller inte. "

Detta är en viktig ny insikt för forskning om topologiska material. Man skulle till och med kunna anpassa de artificiella ljuskristallerna för att simulera vissa kristallstrukturer och för att hitta nya topologiska material.