Fysiker från Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) och Peking University (PKU) har framgångsrikt skapat världens första 3D-simulering av topologisk materia bestående av ultrakalla atomer. Tidigare försök med topologiska materialsimuleringar var begränsade till lägre dimensioner, på grund av utmaningar om hur man karakteriserar 3-D bandtopologi i atomsystem. Detta genombrott öppnar en öppning för att ytterligare undersöka ny topologisk materia som inte kan realiseras väl i fasta ämnen. Sådan aldrig tidigare utförd konstruktion av konstgjort material med ultrakalla atomer kan nu tillåta fysiker att modellera ovanliga faser av materia.

Prof. Gyu-Boong Jo, Docent från institutionen för fysik vid HKUST samarbetade med professor Xiong-Jun Liu, Professor från School of Physics vid PKU och utarbetade en konstgjord kristallgitterstruktur, som tidigare föreslagits av PKU-gruppen, att modellera ultrakalla atomer framställda vid 30 miljarddelar av en grad över absolut noll. Denna nya syntetiska kvantmateria är en 3-D spin-omloppskopplad nodallinje topologisk semimetall, och uppvisar en emergent magnetisk gruppsymmetri. Forskarna korrelerade atomspinningen med atomrörelsens riktning, vilket gjorde det övergripande atombeteendet topologiskt. Med sådan symmetri visade forskarna att 3-D-bandstopologin kan lösas genom att endast avbilda 2-D spinnmönster på de symmetriska planen, och observerade vidare framgångsrikt den 3-D topologiska halvmetallen i experiment. Detektionsteknikerna som används här kan generellt användas för att utforska alla 3-D topologiska tillstånd med liknande symmetrier när de blir tillgängliga.

Forskningen publicerades nyligen online i Naturfysik den 29 juli 2019.

Komplex topologisk materia har blivit fokus för både industriell och akademisk forskning eftersom det ses som ett sätt att bana väg för att göra kvantberäkning mer brusfri och robust. Dagens fysiska kvantdatorer är fortfarande bullriga, och kvantfelskorrigering är ett växande forskningsfält. Målet med feltolerant kvantberäkning har drivit investeringar i komplex topologisk materia.

Topologisk materia klassificeras av de geometriska egenskaperna hos kvanttillståndet i materialet. Materialets topologiska natur innebär att det tenderar att motstå brister i ett operativsystem och har även potentialen för andra men okända exotiska egenskaper.

"Vårt arbete öppnar många möjligheter för att utveckla nya topologiska material som inte förekommer naturligt, "sa prof. Jo." Denna utveckling visar att det finns en ny möjlighet att utforska komplext topologiskt material i 3D, och kommer att ge en användbar plattform för kvantsimulering. "

"Detta är ett genombrott för kvantsimulering med ultrakalla atomer, "sa professor Liu." Det möjliggör experimentell undersökning och observation av icke -privata faser av alla fysiska dimensioner, inklusive olika isolerande, halvmetall, och superflytande faser med icke-trivial topologi i ultrakalla atomer."