"Att driva en topologisk superledare med hjälp av en tidskristall ger dig mer än summan av dess delar, säger Jason Alicea, en forskare vid California Institute of Technology (Caltech) i USA. Upptäckten av topologiska tillstånd har fött upp en mängd forskning som avslöjar ny kondenserad materia och kvantfysik, med potentiella tekniska tillämpningar inom spintronik och kvantberäkning. Liknande, inte långt efter de första observationerna av topologiska isolatorer i slutet av 2000 -talet, begreppen tidskristaller uppstod, introducera ytterligare en ny arena för att utforska ny fysik som kan utnyttjas i exakt tidtagning och kvantteknik.

Nu, Alicea, tillsammans med Aaron Chew, även på Caltech, och David Mross vid Weizmann Institute i Israel, Rapportera in Fysiska granskningsbrev teoretiska undersökningar av system som slår samman de två fenomenen. "Intertwinementet mellan tidskristallinitet och topologisk fysik genererar en intressant twist på excitationer som eftersträvas för feltolerant kvantberäkning, "tillägger Alicea.

Vad är topologiska material?

Forskarna hade turen att snubbla på dessa system som något av en "lycklig olycka" under studier Chew och Mross genomförde på topologiska superledare, en typ av en hel familj av material som har spridit sig fruktbart under de senaste 10 till 20 åren. Teorin om topologiska material är baserad på begreppet egenskaper hos topologier (såsom formen på en munk eller sfär) som är invarianta under smidiga transformationer. Ett typiskt exempel på sådana smidiga omvandlingar är att en munk förvandlas till en kaffekopp - sfären kan inte förvandlas till en munk eller en kaffekopp utan att göra ett snitt för hålet eller handtaget, vilket skulle göra omvandlingen inte längre smidig.

I en topologisk isolator, egenskaper associerade med elektronvågsfunktionen är topologiskt invarianta. Det som gör dem intressanta är gränssnittet mellan topologiska och vanliga isolatorer. I att passera denna gräns, vågfunktionen måste genomgå en förändring som kan leda till ledande kant- eller yttillstånd vid gränsen som är symmetriskyddade genom bevarande av partikelnummer och tidsomvändningssymmetri, vilket gör dem särskilt robusta mot störningar. Detta kan möjliggöra starkare qubits, till exempel.

Sedan den första observation av en 2-D topologisk isolator 2007, 3-D topologiska tillstånd har kommit fram där inneboende spin-orbit-koppling tar platsen för magnetfältet, liksom topologiska superledare och fotoniska och magnetiska analoger. Kataloger har sedan uppstått och avslöjar nästan närvarande av topologiska material i naturen. Den extraordinära fertiliteten inom detta område ledde till att Nobelpriset för fysik 2016 tilldelades David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane, och J. Michael Kosterlitz "för teoretiska upptäckter av topologiska fasövergångar och topologiska faser av materia."

Vad är tidskristaller?

Omkring 2012, överväganden om system som har samma typ av periodicitet i tid som observeras i rymden i konventionella kristaller väckte intresse för idén om tidskristaller - "snygga faser av materia som fysiker har lärt sig mycket om under de senaste åren, "Alicea berättar för Phys.org. I en konventionell kristall, en kontinuerlig translationell symmetri bryts i det lägsta energitillståndet, vika för en diskret periodisk symmetri. När man ser tiden som en fjärde koordinat för rymdtid, det verkar naturligt att leta efter en sådan symmetri som bryts i tid, också. Dock, att definiera tidskristaller helt enkelt när det gäller denna symmetribrytning stöter på problem med oklarheter när det gäller energi, samt svängningar i några triviala system som skulle göra beteckningen "tidskristall" meningslös.

I en nyligen genomgång av Vedika Khemani vid Harvard och Stanford University i USA, Roderich Moessner vid Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme i Tyskland och Shivaji Sondhi på Princeton i USA, tidskristaller var mer begränsade. Termen gällde endast lokalt avgränsade Hamiltonian-system med icke-trivialt tidsberoende över asymptotiskt långa tider som uppfyller ytterligare krav på de initiala villkoren för att definiera en fas av materia med translationell tidssymmetri. Detta begränsar de Hamiltoniska systemen som kan ge upphov till tidskristaller till många kroppslokaliserade och periodiskt drivna så kallade Floquet-system.

Vad länkar de två?

Chew och Mross var särskilt intresserade av "icke-abeliska anyons" som kan existera i topologiskt ordnade faser. En anyon är en partikel som varken strikt är en fermion eller ett boson, medan icke-abelsk hänvisar till beteende som kan beskrivas i termer av operationer som leder till olika resultat beroende på ordning. Ett klassiskt exempel på "icke-kommuterande" operationer kan vara en rotation genom 90 grader kring en axel och sedan en vinkelrät axel.

I supraledande system, kvasipartiklar finns kända som Majorana fermioner, en typ av fermion som är en egen antipartikel som först antogs av Ettore Majorana 1937. När den är bunden till en defekt, de resulterande noll-energi Majorana-lägena har icke-abelsk statistik som skulle kunna ge alla byggstenar i en topologisk kvantdator qubits som är mycket mer stabila än de som baseras på instängda kvantpartiklar.

Chew och Mross undersökte hur man upprättar en koppling mellan icke-abeliska defekter i 2-D topologiskt ordnade faser och de som kan uppstå i strikt 1-D fermionsystem. Alicea förklarar att studien ledde dem till upptäckten att det är möjligt att berika topologiska superledare genom att koppla dem till kontrollerbara magnetiska frihetsgrader. "Då insåg vi att genom att förvandla dessa magnetiska frihetsgrader till en tidskristall, topologisk supraledning reagerar på anmärkningsvärda sätt, säger Alicea.

Tidskristallina topologiska superledare

I deras senaste arbete, Alicea, Chew och Mross överväger att koppla Cooper-elektronpar i en 1-D topologisk superledare till tidskristallina Ising-snurr, där Ising -snurrarna vänds efter varje period. Eftersom det tar två perioder för Ising -snurr att nå sitt ursprungliga tillstånd, de betraktas som tidkristallina Ising-snurr med dubbel periodicitet.

Om en 1-D topologisk superledare som är värd för Majorana slutlägen drivs periodiskt, "Floquet Majorana -lägen" visas, bär energi relaterad till halva körfrekvensen. I en av observationerna från deras analys av tidskristallina topologiska superledare, Alicea, Chew and Mross avslöjar fyrdubblad periodicitet i "Floquet Majorana -lägen". De föreslår också experimentella system för att implementera och upptäcka dessa system.

"Det är frestande att tänka sig att generera några användbara kvantoperationer genom att kontrollera de magnetiska frihetsgraderna som sammanflätas med den topologiska fysiken. Eller kanske kan vissa bruskanaler undertryckas genom att utnyttja tidskristaller, "säger Alicea. Framtida arbete kan undersöka om dessa system också kan förekomma i 2-D och 3D-material." Förekomsten av tidskristaller, dock, är ett subtilt ämne utanför 1-D, "Tillägger Alicea." Det är fortfarande intressant, fastän, att fråga om man kan förverkliga högre dimensionella analoger av vår 1-D tidskristallina topologiska superledare. De kanske bara lever en begränsad tid, men den tiden kan vara tillräckligt lång för att observera ny fysik. "

© 2020 Science X Network