障碍诱发安德森拓扑绝缘体

在实验中使用超冷原子被困和通过激光驱动的,研究人员创建了一个新的disorder-induced拓扑状态之前预测发生在电子材料

Siv Schwink
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拓扑绝缘体(TIs)主机奇异物理可以揭示自然的基本规律。更重要的是,这不同寻常的特性的技术应用前景巨大,包括量子计算、下一代小型数据存储和自旋电子学。世界各地的科学家正在努力理解这些材料的微观性质,自由导电沿着边缘,尽管他们的大部分是绝缘体。

现在一个由实验物理学家组成的研究小组在伊利诺伊大学香槟分校取得了首次观察到的特定类型的TI诱导的障碍。布莱斯Gadway教授和他的研究生埃里克·迈耶和亚历克斯一个使用原子量子模拟、实验技术采用精细调谐激光器和超冷原子比室温冷十亿倍,模拟一维电子电线有精确的物理性质可调的障碍。系统开始于简单的拓扑结构在拓扑绝缘体的政权;添加系统障碍轻推到重要的拓扑阶段。

障碍引起的这种类型的拓扑绝缘体安德森被称为拓扑绝缘体,命名的著名理论物理学家、诺贝尔奖得主菲利普·安德森,一个校友的大学实验室高中校园的你我。令人惊讶的是,虽然障碍通常抑制交通和破坏重要的拓扑结构,在该系统中它有助于稳定拓扑阶段。

观察成为可能通过与一个国际研究小组密切合作的理论物理学家在美国的我,在光子科学研究所(ICFO),和大学为加泰罗尼亚(UPC)在西班牙,阐明了量子物理在工作和识别关键签名系统的实验应该寻找。

理论物理学家彼得Massignan UPC和ICFO评论,“凭直觉,人们会认为障碍应该对电导。例如,运行在一个开放的领域是很容易的,但是作为一个穿过变得越来越难日益密集的森林。但在这里,我们表明,适当的障碍可以引发一些特殊的导电作用,称为拓扑保护边缘模式。”

迈耶是该论文的第一作者。“有趣的是,”他补充说,“在3 d或2 d拓扑系统中,这些边缘状态的特点是自由流动的电子。但是在我们这样的1 d系统,边缘国家简单地坐在那里,线的两端。无论TI,边界州有系统的维数- 1。在我们的安德森一维拓扑绝缘体中,边界州基本上只是点。虽然物理边界实际上是有点无聊的在此系统中,有丰富的动力学在大量的系统直接关系到同一个topology-this是我们学习。”

该集团的实验观察验证安德森拓扑绝缘体的概念是大约十年前。安德森拓扑绝缘体阶段首次从理论上描述2009年j·李等人,和它的起源是进一步解释为c w,等人。五年后,一副作品,一个a Altland泰勒等人,一个团体的休斯的U我使用群埃米尔Prodan叶史瓦大学安德森预测的发生拓扑绝缘体在一维线,实现在新实验Gadway组。

Gadway强调,“我们的研究很受2014年预测的泰勒·休斯和他的研究生伊恩Mondragon-Shem U我泰勒是一个关键的合作者。同样,我们的同事在西班牙做出了巨大的贡献在引入的意思是手性位移的概念,它允许我们直接测量拓扑的大部分材料。”

Gadway补充道,“与泰勒,西班牙的同事们发现,平均手性位移基本上相当于这样一个一维系统的拓扑不变量,所谓的圈数。这是我们能够采取的关键系统上的数据和与我们所看到的实验系统的拓扑结构。这是一个项目,有一群理论家周围是一个很大的帮助,为进行正确的测量和理解它是什么意思。”

“这是一个令人兴奋的结果方面的潜在应用,“Gadway肯定。“这表明我们可以找到真实的材料,几乎是拓扑,我们可以操纵通过掺杂向他们灌输这些拓扑属性。这就是量子模拟提供了一个巨大的优势真正的材料很好看到非常微妙的生理效应。我们的设计师障碍恰恰是可控的,在真实材料,障碍是混乱,因为它听起来是无法控制的。”

“Gadway实验装置是一个理论家的梦想,“Massignan补充道。“这就像玩积木:模型我们设想可以逐步构建的,在一个真正的实验室。哈密顿的每一个元素可以实现我们所想要的非常小心,并实时改变。”

ICFO博士后研究员亚历山大·多芬补充道,“这个平台也是非常有前途的研究的影响拓扑系统的交互和障碍,这可能导致令人兴奋的新物理。”

国家科学基金会项目主管亚历克斯•克罗宁监督资金计划,支持这个实验工作。他指出这种基础研究的重要性,成功地采用工程量子系统发现新物理学:“之前我们得到全面的量子计算机研究广泛的系统,我们已经有了这样的量子模拟器现在生产的结果。是令人激动的新发现与量子模拟器。”

这些结果被《华尔街日报》在线发表科学星期四,2018年10月11日。提交他们的作品《华尔街日报》后,本研究的研究人员了解平行观察这种现象的另一个研究小组在罗斯托克大学,德国。

“他们的团队使用光子波导模拟的物理性质相同的系统,和他们研究了属性系统的边界。我们用冷原子和观察到的大部分属性将在一个非常清晰的可视化的拓扑中,“Gadway状态。”这两个作品补充和他们一起说明不同的物理系统可以控制,表现出同样的有趣的现象。”