Symmetri är en grundläggande egenskap i naturen. Att förstå mekanismerna som bryter symmetrier är avgörande för vetenskaplig forskning. Spontant symmetribrott (SSB), särskilt, uppstår när termiska eller kvantfluktuationer driver ett system från ett symmetriskt tillstånd till ett ordnat tillstånd, som det inträffar när en vätska förvandlas till ett fast ämne. Denna mekanism gör det möjligt för forskare att klassificera olika faser av materia enligt de olika mönster som genereras av den brutna symmetrin.

Under de senaste decennierna har topologi har också erkänts som en avgörande egenskap för att beskriva hur materia organiseras på den grundläggande nivån. I detta fall, det är inte längre att bryta vissa symmetrier, men deras bevarande, som ger upphov till nya materiatillstånd, de så kallade symmetriskyddade topologiska (SPT) faserna. Olika topologiska faser kan visa samma symmetrier, men de kan särskiljas av en global topologisk invariant, som tar heltalsvärden och bevaras under kontinuerliga deformationer.

Aktuell forskning inom fysik av kondenserad materia syftar till att förstå hur symmetribrytning och symmetriskydd konkurrerar, särskilt i närvaro av interaktioner. I en nyligen publicerad tidning i Naturkommunikation , ICFO-forskarna Daniel Gonzalez och Przemyslaw Grzybowski, ledd av Alexandre Dauphin och ICREA Prof. vid ICFO Maciej Lewenstein, i samarbete med Alejandro Bermudez från Universidad Complutense i Madrid, rapportera hur dessa två processer samverkar, ger upphov till nya starkt korrelerade topologiska effekter.

I deras studie, forskarna visade hur i närvaro av starka interaktioner, en skyddande symmetri framträder vid låga energier från uppsättningen konfigurationer som begränsas av att en annan symmetri bryts. Denna framväxande symmetri stabiliserar en sammanflätad topologisk fas, där de topologiska egenskaperna samexisterar med närvaron av långdistansordning. Dessutom, de visar hur detta samspel ger upphov till intressanta statiska och dynamiska effekter, såsom en topologiskt skyddad partikeltransport kvantifierad till fraktionsvärden. För detta, de studerar en mikroskopisk gittermodell, Z2-Bose-Hubbard-modellen, som kan implementeras experimentellt med ultrakylda atomsystem.

Resultaten av denna studie öppnar ett fönster i området topologiska faser i material, banar väg för ytterligare utforskning av exotiska topologiska egenskaper i starkt korrelerade kvantsystem.