Isoladores topológicos, uma emocionante, classe relativamente nova de materiais, são capazes de transportar eletricidade ao longo da superfície, enquanto a maior parte do material atua como um isolante elétrico. As aplicações práticas para esses materiais ainda são principalmente uma questão de teoria, enquanto os cientistas investigam suas propriedades microscópicas para entender melhor a física fundamental que governa seu comportamento peculiar.

Usando simulação quântica atômica, uma técnica experimental envolvendo lasers finamente ajustados e átomos ultracold cerca de um bilhão de vezes mais frio do que a temperatura ambiente, para replicar as propriedades de um isolante topológico, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign observou diretamente pela primeira vez o estado de limite protegido (o estado de soliton topológico) do isolador topológico trans-poliacetileno. As propriedades de transporte deste polímero orgânico são típicas de isoladores topológicos e do modelo Su-Schrieffer-Heeger (SSH).

Estudantes de pós-graduação em física Eric Meier e Fangzhao Alex An, trabalhando com o professor assistente Bryce Gadway, desenvolveu um novo método experimental, uma abordagem de engenharia que permite à equipe investigar fenômenos de transporte quântico.

"A simulação quântica permite alguns recursos exclusivos em comparação com estudos diretos de transporte de elétrons em materiais reais, "explica Gadway." A principal vantagem de usar átomos neutros é a capacidade de manipulá-los à vontade por meio do uso de luz laser e outros campos eletromagnéticos. Ao alterar os detalhes desses campos de controle, nós podemos, por exemplo, adicionar desordem personalizada para estudar fenômenos de localização ou quebrar simetrias do sistema de forma controlada, como através da introdução de um grande campo magnético efetivo. O objetivo final é usar um sistema tão bem controlado no regime onde as partículas interagem fortemente, e explorar novos fenômenos cujo surgimento não teríamos sido capazes de prever com base no comportamento de átomos individuais. "

O novo método da equipe leva essa ideia de design de sistema, ou "engenharia hamiltoniana, "ao extremo, permitindo que os pesquisadores controlem cada elemento que governa o transporte de partículas individuais.

"Este estudo em particular foi importante porque mostramos pela primeira vez que podemos usar este método para realizar sistemas topologicamente não triviais, e há uma grande promessa para a realização futura da interação, sistemas topológicos de átomos. "Comenta Meier." O nosso é o primeiro estudo deste tipo a permitir a detecção resolvida no local dos estados de contorno topológicos e a sondagem da sua estrutura de uma forma sensível à fase. " 23, Edição de 2016 de Nature Communications .

O modelo Su-Schrieffer-Heeger é o modelo de livro de um isolador topológico, exibindo a maioria das características salientes associadas a sistemas topológicos - uma fase topológica com estados de fronteira protegidos e um volume de sistema de isolamento. Em polímeros conjugados como poliacetileno, o estado de soliton topológico está associado à estrutura dimerizada de ligações simples e duplas alternadas ao longo da cadeia principal da molécula. Estados eletrônicos protegidos aparecem na fronteira entre regiões com ordem alternada oposta, e dão origem a algumas propriedades de transporte exclusivas, incluindo um aumento na condutividade elétrica em cerca de nove ordens de magnitude sob dopagem leve com impurezas.

Um explica, "Alguns dos aspectos mais interessantes dos sistemas topológicos são bastante sutis ou dependem do ajuste fino dos parâmetros do sistema. Sistemas quânticos projetados - átomos frios, simuladores fotônicos, qubits supercondutores, etc. - estão mais bem equipados para a exploração desses tipos de fenômenos. A razão para isso é que eles geralmente estão livres do distúrbio intrínseco, desordem material e flutuações térmicas, isso seria difícil de evitar em um sistema convencional de matéria condensada. "

A nova técnica da equipe é promissora para futuras investigações sobre o comportamento fundamental dos sistemas topológicos. Experimentos adicionais já estão em andamento, estendendo este trabalho para sistemas quânticos bidimensionais do tipo Hall e a exploração de isoladores topológicos na presença de desordem.

"O aspecto interessante de nosso estudo é que fomos capazes de observar diretamente os estados de contorno topológicos deste sistema e sondá-los de forma sensível à fase com técnicas de física atômica, "Gadway resume." Experimentos futuros, semelhante em veia, mas em um sistema experimental ligeiramente diferente, poderia permitir a exploração de fenômenos de transporte fortemente correlacionados inacessíveis pela simulação clássica. O maior objetivo do nosso grupo no futuro próximo é observar a influência das interações atômicas em tal sistema. Em particular, o fato de que nossos átomos formam um fluido quântico em interação permite que eles suportem naturalmente as interações locais no sistema de modelo projetado. Esperamos investigar a influência dessas interações muito em breve. "