Isolatorer som leder vid sina kanter lovar intressanta tekniska tillämpningar. Dock, tills nu har man inte helt förstått deras egenskaper. Fysiker vid Goethe-universitetet har nu modellerat vad som kallas topologiska isolatorer med hjälp av ultrakalla kvantgaser. I det aktuella numret av Fysiska granskningsbrev , de visar hur kanttillstånden experimentellt kunde detekteras.

Föreställ dig en skiva gjord av en isolator med en ledande kant längs vilken en ström alltid flyter i samma riktning. "Detta gör det omöjligt för en kvantpartikel att hindras, eftersom tillståndet att strömma åt andra hållet helt enkelt inte existerar, " förklarar Bernhard Irsigler, studiens första författare. Med andra ord:i kanttillståndet, strömmen flyter utan motstånd. Detta kan användas, till exempel, för att öka stabiliteten och energieffektiviteten hos mobila enheter. Det pågår också forskning om hur man kan använda detta för att konstruera lasrar som är mer effektiva.

Under de senaste åren har topologiska isolatorer har också tillverkats i ultrakalla kvantgaser för att bättre förstå deras beteende. Dessa gaser uppstår när en normal gas kyls ner till temperaturer mellan en miljondel och en miljarddel av en grad över absolut noll. Detta gör ultrakalla kvantgaser till de kallaste platserna i universum. Om en ultrakall kvantgas också produceras i ett optiskt gitter av laserljus, gasatomerna ordnar sig lika regelbundet som i ett fast ämnes kristallgitter. Dock, till skillnad från en solid, många parametrar kan varieras, tillåter att konstgjorda kvanttillstånd studeras.

"Vi gillar att kalla det en kvantsimulator eftersom den här typen av system avslöjar många saker som äger rum i fasta ämnen. Genom att använda ultrakalla kvantgaser i optiska gitter, vi kan förstå den grundläggande fysiken för topologiska isolatorer, " förklarar medförfattaren Jun-Hui Zheng.

En betydande skillnad mellan en fast och en kvantgas, dock, är att de molnformade gaserna inte har definierade kanter. Så hur avgör en topologisk isolator i en ultrakall gas var dess kanttillstånd är? Forskarna i professor Walter Hofstetters forskargrupp vid Institutet för teoretisk fysik vid Goethe-universitetet svarar på denna fråga i sin studie. De modellerade en artificiell barriär mellan en topologisk isolator och en normal isolator. Detta representerar kanten på den topologiska isolatorn längs vilken det ledande kanttillståndet bildas.

"Vi visar att kanttillståndet karakteriseras genom kvantkorrelationer som kunde mätas i ett experiment med ett kvantgasmikroskop. Harvard University, MIT och Max-Planck-Institute for Quantum Optics i München utför alla dessa typer av mätningar, " säger Hofstetter. Ett kvantgasmikroskop är ett instrument med vilket enskilda atomer kan detekteras i experiment. "För vårt arbete, det är viktigt att vi uttryckligen tar hänsyn till interaktionen mellan kvantgasens partiklar. Det gör utredningen mer realistisk, men också mycket mer komplicerat. De komplicerade beräkningarna kunde inte utföras utan en superdator. Det nära samarbetet med ledande europeiska forskare inom ramen för DFG:s forskningsenhet "Artificiella mätfält och interagerande topologiska faser i ultrakalla atomer" är också av särskild betydelse för oss, ", tillägger Hofstetter.