Dr Pimonpan Sompet (uppsatsens första författare) anpassar den andra övertonsgenerationens hålighet. Forskarna använder UV-ljuset som produceras här för att kyla litiumatomerna i experimentet. Kredit:MPQ
I vissa material finns det faser mellan vilka en övergång inte är möjlig eftersom de skyddas av en viss form av symmetri. Fysiker hänvisar till dessa som topologiska faser. Ett exempel på detta är Haldane-fasen, uppkallad efter 2016 års Nobelpristagare i fysik Duncan Haldane, som förekommer i antiferromagnetiska spin-1-kedjor. Ett team av forskare vid MPQ har nu lyckats förverkliga detta exotiska tillstånd av materia i ett enkelt system av ultrakalla atomer. Med hjälp av ett kvantgasmikroskop förde de atomsnurren till önskad form, mätte systemets egenskaper och hittade på så sätt den dolda inre ordningen som är typisk för Haldanfasen. Deras resultat publiceras i Nature .
Vilken materia som helst uppstår i olika faser, som kan smälta in i varandra. Ett exempel på detta är vatten, som finns i flytande form, som is eller ånga – beroende på de yttre förhållandena. De olika fysikaliska faserna har samma kemiska sammansättning, men olika grad av inre ordning. Om temperaturen eller trycket ändras till exempel övergår vattnet till en annan fas vid en viss punkt. Men i vissa material finns det faser mellan vilka en övergång inte är möjlig eftersom de skyddas av en viss form av symmetri – en egenskap hos systemet som därmed förblir oförändrad, till exempel under en reflektion eller rotation. Endast genom att bryta symmetrin är en fasövergång möjlig. Fysiker hänvisar till detta som topologiska faser, vars undersökning under senare år har lett till en djupare förståelse av strukturen hos kvantsystem.
Mätning av Haldane-fasen
Hittills har sådana egenskaper nästan bara varit tillgängliga i teoretiska modeller och beräkningar eller genom indirekta mätningar på fasta ämnen. Men nu har ett team av forskare vid Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) i Garching lyckats generera en speciell, exemplarisk typ av topologisk fas i laboratoriet och analysera den experimentellt. Forskarna vid MPQ Department of Quantum Many-Body Systems, ledda av Prof Dr Immanuel Bloch och Dr Timon Hilker, skapade en så kallad Haldane-fas. Den är uppkallad efter den brittiske fysikern Duncan Haldane, som beskrev topologiska faser av kvantsystem för första gången och fick Nobelpriset i fysik för det 2016 tillsammans med två andra forskare.
Haldane fokuserade sin uppmärksamhet bland annat på den möjliga förekomsten av en topologisk fas i en kedja av antiferromagnetiska spin-1-partiklar. Ett spinn är en kvantmekanisk egenskap hos en partikel som elektroner eller atomer, vilket på ett enkelt sätt kan tolkas som partikelns rörelsemängd när den roterar runt sin egen axel. I ett antiferromagnetiskt material föredrar spinnen att andra spinn har en annan rotationsriktning i sin omedelbara närhet.
Detta kan leda till en periodisk ordning av snurren, som dock är osynlig i spin-1-system i klassiska mätningar. Den teoretiska förutsägelsen sa att det ändå finns en ordning, men att den är "dold". För att upptäcka det måste alla snurr mätas individuellt och samtidigt - vilket inte är möjligt i fasta ämnen. Men forskarna vid MPQ använde konstgjorda material där snurrarna är mycket längre ifrån varandra. Där producerade de en spin-1-kedja med de egenskaper som beskrevs av Haldane.
Knepet med snurrparen
Illustration av huvudkoncepten i uppsatsen:till vänster en illustration av gitterpotentialen som används, till höger en exemplarisk ögonblicksbild av en enda stege med 14 individuella atomer synliga i grönt. Nedanför en schematisk förklaring av hur steggeometrin är mappad på en spin-1-kedja. De hängande kantsnurren visas i grått. Kredit:Max Planck Society
– Fram till nu var det här svårt att inse, säger Sarah Hirthe. Det är därför Ph.D. kandidat vid MPQ, tillsammans med sin kollega Dominik Bourgund och andra medlemmar i Garching-teamet, tog till ett trick:"Vi skapade en spin-1-kedja på ett indirekt sätt genom att bygga upp den från snurr med värdet ½, varav vi lade till två vardera, förklarar Bourgund. På så sätt skapades celler med heltalsspinn som var uppradade i en kedja.
För att förverkliga denna speciella struktur använde teamet ett så kallat kvantgasmikroskop. En sådan anordning kan till exempel användas för att studera magnetiska egenskaper hos enskilda atomer som tidigare har arrangerats på ett visst sätt. Forskarna talar därför också om en kvantsimulator, med vilken materia är konstgjord konstruerad från dess elementära byggstenar. "För att göra detta använder vi stående vågor av laserljus som bildar ett slags gitter för atomer", förklarar Sarah Hirthe. Detta galler formas sedan till önskad form med hjälp av ytterligare lasrar och otaliga små, rörliga speglar.
"För experimenten på den topologiska Haldane-fasen placerade vi atomer i ett sådant tvådimensionellt optiskt gitter", rapporterar fysikern. "I ett vakuum och vid en temperatur nära absolut noll, ordnade atomerna sig sedan exakt på det sätt som dikteras av ljuset." Forskarna valde en gitterstruktur som gav atomerna, tillsammans med deras spinn, formen av en stege – med två "ben" och "stegsteg" emellan. "Tapparna på dessa så kallade Fermi-Hubbard-stegar kopplade varsin två atomsnurr för att bilda enhetsceller med spin 1", förklarar Dominik Bourgund. "I detta arrangemang använde vi ett koncept som är känt inom teoretisk fysik som AKLT-modellen."
En atomstege med "dinglande" kantsnurr
"Höjdpunkten i experimentet var att vi specialanpassade kanterna på systemet", säger Hirthe:de två benen på kvantstegen var förskjutna från varandra av en atom. På detta sätt kunde atomernas halvheltalsspinn kombineras i en diagonal förskjutning för att bilda enhetsceller. Konsekvensen av denna form:individuella snurr utan en direkt partner "dinglade" i båda ändarna av systemet - kallade kanttillstånd på teknisk jargong. "Sådana snurr och deras magnetiska moment kan anta olika orienteringar utan någon extra energiinsats", förklarar Dominik Bourgund. På så sätt ger de systemet karakteristiska egenskaper baserade på den speciella symmetrin - Haldanfasens typiska kännetecken. Som jämförelse skapade Max Planck-forskarna också en "trivial" topologisk fas utan kanttillstånd.
För att analysera egenskaperna hos de två faserna, mätte forskarna magnetiseringen av både de individuella spinnen och hela systemet av alla atomer längs en mental sträng under kvantgasmikroskopet. Endast på detta sätt var det möjligt att hitta den förutsagda "dolda" inre ordningen. "Våra resultat bekräftar de förväntade topologiska egenskaperna för både det övergripande systemet och kanttillstånden", konstaterar Timon Hilker, som leder projektet. "Detta visar:Vi har gjort den komplexa strukturen tillgänglig för mätningar genom ett enkelt system."
Solid grund för kvantberäkning?
Max Planck-forskarna har med sina resultat inte bara lagt grunden för att experimentellt verifiera teoretiska förutsägelser om topologiska faser. Deras nya rön kan också hitta praktisk tillämpning i framtiden - i kvantdatorer. Deras funktion är baserad på "qubits", grundläggande beräkningsenheter i form av kvanttillstånd. Bristen i den tekniska realiseringen hittills är deras låga stabilitet:om qubitarna förlorar sitt värde går data också förlorade. Om de kunde representeras av topologiska faser, som är ganska robusta mot extern störning på grund av deras nära koppling till en fundamental symmetri, skulle detta avsevärt kunna förenkla beräkningen med en kvantdator. + Utforska vidare
