Isoladores topológicos (TIs) hospedam física exótica que pode lançar uma nova luz sobre as leis fundamentais da natureza. O que mais, as propriedades incomuns dos TIs são uma grande promessa para as aplicações tecnológicas, incluindo na computação quântica, armazenamento de dados miniaturizado de última geração, e spintrônica. Cientistas de todo o mundo estão trabalhando para compreender as propriedades microscópicas desses materiais, que conduzem eletricidade livremente ao longo de suas bordas, embora seu volume seja um isolante.

Agora, uma equipe de físicos experimentais da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign fez a primeira observação de um tipo específico de TI induzida por distúrbio. O professor Bryce Gadway e seus alunos de graduação Eric Meier e Alex An usaram simulação quântica atômica, uma técnica experimental que emprega lasers afinados e átomos ultracold cerca de um bilhão de vezes mais frios do que a temperatura ambiente, para imitar as propriedades físicas de fios eletrônicos unidimensionais com desordem precisamente sintonizável. O sistema começa com uma topologia trivial fora do regime de um isolador topológico; adicionar desordem empurra o sistema para a fase topológica não trivial.

Este tipo de isolante topológico induzido por distúrbio é chamado de isolador topológico de Anderson, nomeado após o famoso físico teórico e ganhador do Nobel Philip Anderson, um ex-aluno da University Laboratory High School no campus da U of I. Surpreendentemente, enquanto a desordem normalmente inibe o transporte e destrói a topologia não trivial, neste sistema, ajuda a estabilizar uma fase topológica.

A observação foi possível através da estreita colaboração com uma equipe internacional de físicos teóricos da U of I, no Instituto de Ciências Fotônicas (ICFO), e na Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) na Espanha, que elucidou a física quântica em funcionamento e identificou a assinatura chave que os experimentalistas deveriam procurar no sistema.

O físico teórico Pietro Massignan da UPC e comentários do ICFO, "Intuitivamente, alguém poderia pensar que a desordem deve jogar contra a condutância. Por exemplo, correr é fácil em campo aberto, mas fica cada vez mais difícil à medida que nos movemos por uma floresta cada vez mais densa. Mas aqui nós mostramos que a desordem adequadamente adaptada pode realmente desencadear algumas excitações condutoras peculiares, chamados modos de borda protegidos topologicamente. "

Meier é o autor principal do artigo. "Interessantemente, " ele adiciona, "em um sistema topológico 3-D ou 2-D, esses estados de borda seriam caracterizados por elétrons fluindo livremente. Mas em um sistema 1D como o nosso, os estados de borda simplesmente ficam lá, em qualquer extremidade do fio. Em qualquer TI, os estados de fronteira têm a dimensionalidade do seu sistema menos um. Em nosso isolador topológico Anderson 1D, os estados de fronteira são basicamente apenas pontos. Embora a física de limite seja um pouco enfadonha neste sistema, há uma rica dinâmica acontecendo na maior parte do sistema que está diretamente relacionada à mesma topologia - foi isso que estudamos. "

A observação experimental do grupo valida o conceito de isoladores topológicos de Anderson que foi desenvolvido há cerca de uma década. A fase isolante topológica de Anderson foi descoberta pela primeira vez teoricamente por J. Li et al. em 2009, e sua origem foi posteriormente explicada por C. W. Groth, et al. nesse mesmo ano. Cinco anos depois, um par de obras, um de A. Altland et al. e um do grupo de Taylor Hughes na U of I trabalhando com o grupo de Emil Prodan na Yeshiva University, previu a ocorrência do isolador topológico de Anderson em fios unidimensionais, como realizado nas novas experiências do grupo Gadway.

Gadway enfatiza, "Nossa abordagem desta pesquisa foi realmente inspirada pela previsão de Taylor Hughes e seu aluno de pós-graduação Ian Mondragon-Shem na Universidade de I. Taylor em 2014 foi um colaborador importante. Da mesma forma, nossos colegas na Espanha deram uma enorme contribuição na introdução do conceito de deslocamento quiral médio, o que permite medir a topologia diretamente no grosso do material. "

"Trabalhando com Taylor, "Gadway acrescenta, "nossos colegas espanhóis descobriram que o deslocamento quiral médio é essencialmente equivalente ao invariante topológico de tal sistema unidimensional, algo chamado número de enrolamento. Isso foi fundamental para podermos pegar os dados do sistema e relacionar o que vimos no experimento à topologia do sistema. Este foi um projeto em que ter um bando de teóricos por perto foi uma grande ajuda, tanto para realizar as medições corretas quanto para entender o que tudo isso significava. "

"Este é um resultado empolgante em termos de aplicações potenciais, "Gadway afirma." Isso sugere que podemos encontrar materiais reais que são quase topológicos que poderíamos manipular por meio de dopagem para imbuí-los com essas propriedades topológicas. É aqui que a simulação quântica oferece uma tremenda vantagem sobre os materiais reais - é boa para ver efeitos físicos muito sutis. Nossa 'desordem de designer' é precisamente controlável, onde em materiais reais, a desordem é tão confusa quanto parece - é incontrolável. "

"A configuração experimental de Gadway é o sonho de um teórico, "Massignan acrescenta." Era como brincar com LEGO:o modelo que imaginávamos poderia ser construído passo a passo, em um laboratório real. Cada elemento do hamiltoniano que tínhamos em mente poderia ser implementado de uma forma muito cuidadosa, e alterado em tempo real. "

O pesquisador de pós-doutorado do ICFO Alexandre Dauphin acrescenta:"Esta plataforma também é muito promissora para estudar os efeitos da interação e da desordem em sistemas topológicos, o que pode levar a uma nova física empolgante. "

O diretor do programa da NSF, Alex Cronin, supervisiona o programa de financiamento que apoiou esse esforço experimental. Ele aponta a importância desta pesquisa fundamental que emprega com sucesso sistemas quânticos projetados para descobrir uma nova física:"Antes de obtermos computadores quânticos em escala real para estudar uma ampla gama de sistemas exóticos, já temos simuladores quânticos como este que estão produzindo resultados agora. É emocionante ver novas descobertas feitas com simuladores quânticos como este. "

Esses resultados foram publicados online pela revista. Ciência na quinta feira, 11 de outubro 2018. Após submeter seu trabalho à revista, os pesquisadores deste estudo souberam da observação paralela desse mesmo fenômeno por outra equipe de pesquisa da Universidade de Rostock, Alemanha.

"Sua equipe usou guias de ondas fotônicas para imitar as propriedades físicas desse mesmo tipo de sistema, e eles estudaram propriedades na fronteira do sistema. Usamos átomos frios e observamos propriedades em massa para obter uma visualização realmente clara da topologia, "Gadway afirma." Essas duas obras foram complementares e juntas ilustram como diversos sistemas físicos podem ser controlados e feitos para exibir o mesmo tipo de fenômeno interessante. "