Under de senaste åren har fysiker över hela världen har genomfört studier som utforskar egenskaperna och dynamiken hos materiens topologiska faser som kan möjliggöra utvecklingen av kvantanordningar och andra nya teknologier. Vissa av dessa faser stöds av vad som kallas tidsomkastningssymmetri (TRS) av mikroskopiska naturlagar.

Forskare vid University of Cambridge har nyligen visat att vissa topologiska faser som skyddas av TRS är fundamentalt instabila mot koppling till sin omgivande miljö. Deras fynd, beskrivs i en tidning publicerad i Naturfysik , lyfta fram ett antal utmaningar som skulle kunna förknippas med användningen av topologiska system för att utveckla kvantteknologier.

"Vi har varit intresserade av vissa faser av materia som kallas topologiska faser, som har väckt stor uppmärksamhet nyligen på grund av deras föreslagna tillämpningar inom kvantbaserad teknik, "Max McGinley, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Särskilt, vissa topologiska faser tros kunna lagra kvantinformation på ett sätt som är naturligt robust mot eventuella ofullkomligheter som oundvikligen uppstår i experiment, vilket gör dem potentiellt användbara för kvantberäkning."

De flesta befintliga teoretiska argument som motiverar robustheten hos topologiska faser mot experimentellt brus tar inte hänsyn till det faktum att i verkliga implementeringar, dessa system kan interagera med sin omgivning på oväntade sätt. Med detta i åtanke, McGinley och hans kollega Nigel R. Cooper satte sig för att undersöka om topologiska system fortfarande presterade bra när de används för att utveckla kvantminnesenheter och i närvaro av externa "miljöeffekter". Deras första resultat pekar på en allmän princip som kan gälla alla topologiska faser, snarare än specifikt till de som möjliggör lagring av kvantinformation.

"Vi visade att det finns en viss klass av topologiska faser (känd som tidsomkastande symmetriskyddade topologiska faser) som blir instabila när de interagerar med miljön runt dem och därför inte kan användas i den verkliga världen, "McGinley sa. "Mycket av vår analys baserades på effekterna av symmetrier i kvantmekaniken, som är centrala för teorin om topologiska faser."

Symmetrier begränsar naturligtvis de processer som kan eller inte kan inträffa i fysiska system. I topologiska system, till exempel, en viss symmetri kan förhindra att kvantinformation går förlorad.

De mer konventionella typerna av symmetrier som finns i naturen är de som är relaterade till rumsliga koordinater. Till exempel, en fyrkant har en symmetri under en rotation på 90 grader kring dess centrum. TRS är en mer subtil typ av symmetri som uppstår inom ett dynamiskt systems fysiska beskrivning. Väsentligen, TRS betyder att i ett fysiskt system, fysikens lagar ser likadana ut när tiden går framåt och bakåt.

"Underligt, denna symmetri återspeglas inte i de stora föremål vi möter i våra vardagliga liv (d.v.s. system som består av väldigt många mikroskopiska partiklar), McGinley förklarade. "Till exempel, en varm kopp kaffe kommer att svalna med tiden, men en kall kopp kaffe värms inte upp spontant. Vi insåg att denna skillnad mellan symmetrierna i naturens grundläggande lagar och symmetrierna hos komplexa många partikelsystem (som din kopp kaffe) också visar sig i topologiska system. De topologiska faserna som förlitar sig på tidsomkastningssymmetri är de som är instabila av exakt samma skäl."

Studien belyser de möjliga begränsningarna med att använda TRS-skyddade topologiska system för att utveckla kvantteknologier. Mer specifikt, forskarna observerade att vissa topologiska faser är mycket mindre robusta mot miljöbuller än vad befintliga teorier förutspår.

"En pessimist kan se detta som dåliga nyheter för fältet, " sa McGinley. "Men, vår uppfattning är att våra resultat kan hjälpa dem som arbetar med att omsätta topologiska system i praktiken. Efter att ha identifierat vilka topologiska faser som är instabila, framtida uppmärksamhet kan fokuseras på de som kan, i princip, skyddas från dessa negativa miljöeffekter."

Den nya principen gäller för alla topologiska faser, men forskarna har hittills främst undersökt det i samband med kvantminnen eller annan kvantteknologi. I sina nästa studier, de planerar att testa och studera samma princip i förhållande till andra tillämpningar.

"Till exempel, vissa topologiska faser förväntas ha intressanta elektriska konduktansegenskaper, men experiment visar inte samma robusthet som man kan förvänta sig baserat på nuvarande teorier, "McGinley sa. "Kanske idéerna som vi har avslöjat här kan användas för att förklara vissa aspekter av dessa experiment."

© 2020 Science X Network