Em princípio, não se deve comparar maçãs com laranjas. Contudo, em topologia, que é um ramo da matemática, é preciso fazer exatamente isso. Acontece que maçãs e laranjas são topologicamente iguais, uma vez que ambas não têm furo - em contraste com donuts ou xícaras de café, por exemplo, que têm um (a alça no caso da xícara) e, portanto, são topologicamente iguais.



De uma forma mais abstrata, os sistemas quânticos em física também podem ter uma topologia específica de maçã ou donut, que se manifesta nos estados de energia e no movimento das partículas. Os investigadores estão muito interessados ​​em tais sistemas, uma vez que a sua topologia os torna robustos contra a desordem e outras influências perturbadoras, que estão sempre presentes nos sistemas físicos naturais.

As coisas ficam particularmente interessantes se, além disso, as partículas desse sistema interagirem, o que significa que se atraem ou se repelem, como os eletrões nos sólidos. Estudar topologia e interações em sólidos, entretanto, é extremamente difícil. Uma equipe de pesquisadores da ETH liderada por Tilman Esslinger conseguiu agora detectar efeitos topológicos em um sólido artificial, no qual as interações podem ser ativadas ou desativadas por meio de campos magnéticos.

Seus resultados, que aparecem em Science , poderia ser usado em tecnologias quânticas no futuro.

Transporte por topologia

Zijie Zhu, Ph.D. estudante do laboratório de Esslinger e primeiro autor do estudo, e seus colegas construíram o sólido artificial usando átomos extremamente frios (átomos de potássio fermiônicos), que foram presos em redes espacialmente periódicas usando raios laser. Feixes de laser adicionais fizeram com que os níveis de energia dos locais adjacentes da rede subissem e descessem periodicamente, fora de sincronia entre si.

Depois de algum tempo, os pesquisadores mediram as posições dos átomos na rede, inicialmente sem interações entre os átomos. Neste experimento eles observaram que a topologia donut dos estados de energia fazia com que as partículas fossem transportadas por um sítio da rede, sempre na mesma direção, a cada repetição do ciclo.

“Isso pode ser imaginado como a ação de um parafuso”, diz Konrad Viebahn, pós-doutorado sênior da equipe de Esslinger. O movimento de aparafusamento é uma rotação no sentido horário em torno de seu eixo, mas como resultado o próprio parafuso se move na direção para frente. A cada revolução o parafuso avança uma certa distância, que independe da velocidade com que se gira o parafuso. Tal comportamento, também conhecido como bombeamento topológico, é típico de certos sistemas topológicos.

Mas e se o parafuso atingir um obstáculo? No experimento dos pesquisadores da ETH, esse obstáculo era um feixe de laser adicional que restringia a liberdade de movimento dos átomos no sentido longitudinal. Após cerca de 100 voltas do parafuso, os átomos colidiram com uma parede, por assim dizer. Na analogia usada acima, a parede representa uma topologia de maçã na qual o bombeamento topológico não pode ocorrer.

Retorno surpreendente

Surpreendentemente, os átomos não pararam simplesmente na parede, mas de repente viraram-se. O parafuso movia-se assim para trás, embora continuasse girando no sentido horário. Esslinger e sua equipe explicam esse retorno pelas duas topologias de donut que existem na rede – uma com um donut girando no sentido horário e outra que gira na direção oposta. Na parede, os átomos podem mudar de uma topologia para outra, invertendo assim a direção do seu movimento.

Então os pesquisadores ativaram uma interação repulsiva entre os átomos e observaram o que acontecia. Mais uma vez, eles tiveram uma surpresa:os átomos agora giravam em direção a uma barreira invisível antes mesmo de atingir a parede do laser.

“Usando cálculos de modelo, conseguimos mostrar que a barreira invisível foi criada pelos próprios átomos através de sua repulsão mútua”, explica o Ph.D. estudante Anne-Sophie Walter.

Rodovia Qubit para computadores quânticos

“Com estas observações demos um grande passo em direção a uma melhor compreensão dos sistemas topológicos em interação”, diz Esslinger, que estuda tais efeitos. Como próximo passo, ele quer realizar mais experimentos para investigar se o parafuso topológico é tão robusto quanto o esperado em relação à desordem e como os átomos se comportam em duas ou três dimensões espaciais.

Esslinger também tem algumas aplicações práticas em mente. Por exemplo, o transporte de átomos ou íons por bombeamento topológico poderia ser usado como uma rodovia qubit para levar os qubits (bits quânticos) em computadores quânticos aos lugares certos, sem aquecê-los ou perturbar seus estados quânticos.

Mais informações: Zijie Zhu et al, Reversão de desvios Hall quantizados em limites topológicos não interativos e interativos, Ciência (2024). DOI:10.1126/science.adg3848
Informações do diário: Ciência

Fornecido por ETH Zurique