Aisladores topológicos, un emocionante, clase de materiales relativamente nueva, son capaces de transportar electricidad a lo largo del borde de la superficie, mientras que la mayor parte del material actúa como aislante eléctrico. Las aplicaciones prácticas de estos materiales siguen siendo principalmente una cuestión de teoría, mientras los científicos prueban sus propiedades microscópicas para comprender mejor la física fundamental que gobierna su peculiar comportamiento.

Usando simulación cuántica atómica, una técnica experimental que involucra láseres finamente ajustados y átomos ultrafríos aproximadamente mil millones de veces más fríos que la temperatura ambiente, para replicar las propiedades de un aislante topológico, un equipo de investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign ha observado directamente por primera vez el estado límite protegido (el estado del solitón topológico) del aislante topológico trans-poliacetileno. Las propiedades de transporte de este polímero orgánico son típicas de los aislantes topológicos y del modelo Su-Schrieffer-Heeger (SSH).

Los estudiantes graduados de física Eric Meier y Fangzhao Alex An, trabajando con el profesor asistente Bryce Gadway, desarrolló un nuevo método experimental, un enfoque de ingeniería que permite al equipo sondear fenómenos de transporte cuántico.

"La simulación cuántica permite algunas capacidades únicas en comparación con los estudios directos del transporte de electrones en materiales reales, "explica Gadway." Una de las principales ventajas de utilizar átomos neutros es la capacidad de manipularlos a voluntad mediante el uso de luz láser y otros campos electromagnéticos. Al cambiar los detalles de estos campos de control, podemos, por ejemplo, añadir desorden a medida para estudiar fenómenos de localización o romper simetrías del sistema de forma controlada, como a través de la introducción de un gran campo magnético efectivo. El objetivo final es utilizar un sistema tan bien controlado en el régimen en el que las partículas interactúan fuertemente, y explorar nuevos fenómenos cuya aparición no hubiéramos podido predecir basándonos en el comportamiento de átomos individuales ".

El nuevo método del equipo toma esta idea de diseño de sistemas, o "ingeniería hamiltoniana, " en el extremo, permitiendo a los investigadores controlar cada elemento que gobierna el transporte de partículas individuales.

"Este estudio en particular fue importante porque demostramos por primera vez que podemos utilizar este método para realizar sistemas topológicamente no triviales, y hay una gran promesa para la realización futura de la interacción, sistemas topológicos de átomos ". Meier comenta." El nuestro es el primer estudio de este tipo que permite la detección resuelta en el sitio de los estados de los límites topológicos y el sondeo de su estructura de una manera sensible a la fase ". Los resultados se publican en diciembre 23, 2016 edición de Comunicaciones de la naturaleza .

El modelo Su-Schrieffer-Heeger es el modelo de libro de texto de un aislante topológico, mostrando la mayoría de las características sobresalientes asociadas con los sistemas topológicos:una fase topológica con estados límite protegidos y un sistema de aislamiento en masa. En polímeros conjugados como poliacetileno, el estado de solitón topológico está asociado con la estructura dimerizada de enlaces simples y dobles alternos a lo largo de la cadena principal de la molécula. Los estados electrónicos protegidos aparecen en el límite entre regiones con orden alterno opuesto, y dar lugar a algunas propiedades de transporte únicas, incluido un aumento de la conductividad eléctrica en aproximadamente nueve órdenes de magnitud bajo el dopaje ligero con impurezas.

An explica, "Algunos de los aspectos más interesantes de los sistemas topológicos son bastante sutiles o se basan en el ajuste fino de los parámetros del sistema. Sistemas cuánticos diseñados:átomos fríos, simuladores fotónicos, qubits superconductores, etc., están mejor equipados para la exploración de este tipo de fenómenos. La razón de esto es que generalmente están libres del trastorno intrínseco, tanto desorden material como fluctuaciones térmicas, eso sería difícil de evitar en un sistema convencional de materia condensada ".

La nueva técnica del equipo es prometedora para futuras investigaciones sobre el comportamiento fundamental de los sistemas topológicos. Ya se están realizando experimentos adicionales, extendiendo este trabajo a sistemas bidimensionales cuánticos de tipo Hall y la exploración de aislantes topológicos en presencia de desorden.

"El aspecto interesante de nuestro estudio es que pudimos observar directamente los estados de los límites topológicos de este sistema y probarlos de una manera sensible a la fase con técnicas de física atómica, "Gadway resume". Experimentos futuros, similar en vena pero en un sistema experimental ligeramente diferente, podría permitir la exploración de fenómenos de transporte fuertemente correlacionados inaccesibles mediante la simulación clásica. El mayor objetivo de nuestro grupo en el futuro cercano es observar la influencia de las interacciones atómicas en dicho sistema. En particular, el hecho de que nuestros átomos formen un fluido cuántico que interactúe les permite apoyar de forma natural interacciones locales en el sistema del modelo diseñado. Esperamos sondear la influencia de estas interacciones muy pronto ".