Usando um simulador quântico atômico, cientistas da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign alcançaram a primeira observação direta de correntes quirais no modelo de isolador topológico, o sistema Hall quântico inteiro 2-D.

Isoladores Topológicos (TIs) são indiscutivelmente a classe de materiais mais promissora descoberta nos últimos anos, com muitas aplicações potenciais teorizadas. Isso porque TIs apresentam uma qualidade especial:a superfície do material conduz eletricidade, enquanto o volume atua como um isolante. Na última década, os cientistas investigaram extensivamente as propriedades microscópicas dos TIs, para entender melhor a física fundamental que rege seu comportamento peculiar.

A simulação quântica atômica provou ser uma ferramenta importante para sondar as características de TIs, porque permite aos pesquisadores maior controle e maiores possibilidades de explorar regimes não acessíveis atualmente em materiais reais. Feixes de laser finamente ajustados são usados ​​para capturar átomos de rubídio ultracold (cerca de um bilhão de vezes mais frio do que a temperatura ambiente) em uma estrutura de rede que simula precisamente a estrutura de materiais ideais.

Alex An, um estudante de física que trabalha com o professor assistente Bryce Gadway em Illinois, é o principal autor do estudo, "Observação direta de correntes quirais e reflexão magnética em redes de fluxo atômico, "publicado recentemente em Avanços da Ciência .

O sistema Hall quântico inteiro 2-D em materiais reais é caracterizado por um campo magnético que faz com que os elétrons façam trajetórias fechadas - como uma órbita quadrada fechada simples em torno de quatro locais de uma rede quadrada bidimensional - a fim de adquirir uma mudança de fase conhecida como fase Aharonov-Bohm. A magnitude dessa mudança de fase depende da intensidade do campo magnético envolvido pela trajetória.

Um explica, “Tanto no sistema eletrônico quanto no nosso sistema simulado, campos magnéticos dão origem a uma topologia não trivial:enquanto as partículas na maior parte do sistema orbitam em torno de células de quatro sítios, as partículas de borda não podem passar por órbitas completas e, em vez disso, fluir ciclicamente em torno da borda de todo o sistema, gerando correntes quirais. Esses fenômenos microscópicos levam a uma condutância quantizada macroscópica, que foi medido em materiais como o grafeno e em gases de elétrons 2D baseados em heteroestruturas semicondutoras. "

Para este estudo, a equipe desenvolveu uma nova técnica de simulação atômica quântica que permitiu aos cientistas observar diretamente as correntes quirais pela primeira vez. Os cientistas empregaram cerca de uma dúzia de lasers para capturar e resfriar átomos de rubídio até temperaturas de nano Kelvin. Em seguida, eles configuraram os átomos ultracold em uma rede periódica, em analogia precisa aos elétrons na estrutura de cristal periódica de um material real. Então, usando sua nova técnica, os cientistas manipularam o campo magnético sintético para observar o comportamento emergente dos elétrons.

"Enquanto outros pesquisadores trabalhando em física atômica-molecular-óptica criam esta rede no espaço real, em vez disso, vinculamos estados de momentum atômico para criar uma rede não real, dimensão física, mas em uma dimensão 'sintética', ou espaço de impulso, "Um diferencial." Ligamos esses estados usando um par de feixes de laser que podem transmitir o momento do fóton aos átomos em grupos discretos. "

An passa a explicar como esta nova abordagem oferece maior controle sobre os parâmetros de rede no nível do site individual, permitindo que os cientistas projetem fases nos átomos enquanto eles viajam entre os locais da rede.

"Com a adição de um segundo par de feixes de laser, nós criamos um totalmente sintético, Rede 2-D de estados de momentum, " ele continua, "Por causa de nosso controle resolvido pelo local sobre a rede, podemos aplicar diferentes fluxos magnéticos sintéticos a cada célula de quatro locais. Então, onde estudos anteriores construíram sistemas bidimensionais com uma dimensão no espaço real e uma dimensão sintética, nossa abordagem totalmente sintética nos permite fazer algumas coisas únicas.

"Primeiro, temos a capacidade de criar padrões de fluxo homogêneos, bem como não homogêneos - o último não é atualmente atingível em sistemas do espaço real. Em segundo lugar, demonstramos a capacidade de ajustar rápida e facilmente o fluxo de um campo homogêneo em toda a gama de valores de fluxo - isso agora foi alcançado em uma configuração de espaço real, quase ao mesmo tempo que nosso trabalho. E finalmente, nossa nova técnica permite a observação direta resolvida no local de correntes quirais. A observação direta das correntes quirais subjacentes não foi possível em materiais reais. "

No estudo de fluxo homogêneo, a equipe observou as correntes quirais de um campo magnético artificial homogêneo para toda a gama de valores de fluxo aplicados (-π a π). Um fluxo positivo fez com que os átomos da superfície fluíssem no sentido horário ao redor do sistema, e um fluxo negativo induziu um oposto, fluxo anti-horário. O sistema de engenharia permitiu à equipe ajustar de forma rápida e fácil o fluxo aplicado em toda a gama de valores de fluxo, além da gama de materiais convencionais e com mais versatilidade do que os sistemas atômicos do espaço real.

Então, no estudo de fluxo não homogêneo, a equipe projetou um deslocamento acentuado no campo magnético artificial, combinando este sistema topologicamente não trivial com uma região topologicamente trivial de fluxo zero. Eles observaram que a população atômica refletida fora da fronteira entre essas duas regiões, com reflexão máxima na maior diferença de fluxo. Um senso de reflexão mais tradicional, como uma bola quicando na parede, requer uma mudança no cenário de energia potencial. Contudo, esta reflexão magnética ocorre apenas devido à diferença na topologia. Este fenômeno seria muito difícil de estudar com outros sistemas atômicos, e seria essencialmente impossível estudar em materiais eletrônicos reais. "Para um material eletrônico de verdade, a engenharia de tal aumento gradual do fluxo magnético exigiria um salto das intensidades do campo magnético de 104 Tesla em apenas alguns angstroms - uma situação maluca que, no entanto, somos capazes de simular usando um sistema atômico controlado, "diz Gadway.

Um enfatiza que, enquanto TIs têm implicações tremendas para aplicações futuras em tecnologia, esta é uma pesquisa fundamental, e essas descobertas não irão imediatamente para um dispositivo de bolso como um smartphone.

"Esperamos lançar mais luz sobre fenômenos semelhantes em materiais reais, estudando-os em nosso sistema atômico, "compartilha An." O efeito Hall quântico inteiro que estudamos neste trabalho é marcado por fenômenos macroscópicos como condutância quantizada que foram estudados em materiais reais, mas o subjacente, estados de borda quirais microscópicos que dão origem a esses fenômenos estiveram fora do alcance de materiais reais - mas não fora do alcance de nosso sistema! De forma similar, esperamos obter mais informações sobre o funcionamento subjacente de sistemas mais complexos, alimentado por um desejo fundamental de compreender e como uma forma de eventualmente construir materiais reais que apresentem as mesmas propriedades. "

Em estudos futuros, a equipe planeja projetar sistemas com geometrias bidimensionais semelhantes, com recursos topológicos mais complexos.

"Um desses sistemas consiste em dois fios topológicos acoplados como aqueles apresentados em nosso trabalho anterior no modelo Su-Schrieffer-Heeger. O grupo de Smitha Vishveshwara previu que, ao adicionar desordem específica a este sistema, podemos ser capazes de sondar o espectro indescritível da borboleta de Hofstadter. Também esperamos estudar um novo tipo de sistema de 'isolador multipolo' recentemente proposto por Wladimir Benalcazar, Taylor Hughes, e colaboradores. Este sistema seria caracterizado por modos de canto topológico carregando carga quantizada fracionada. "