Usando un simulador cuántico atómico, Científicos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han logrado la primera observación directa de corrientes quirales en el modelo de aislante topológico, el sistema Hall cuántico entero 2-D.

Los aislantes topológicos (TI) son posiblemente la clase de materiales más prometedora descubierta en los últimos años, con muchas aplicaciones potenciales teorizadas. Eso es porque los TI exhiben una cualidad especial:la superficie del material conduce la electricidad, mientras que el grueso actúa como aislante. Durante la ultima decada, Los científicos han investigado ampliamente las propiedades microscópicas de los TI, para comprender mejor la física fundamental que rige su peculiar comportamiento.

La simulación cuántica atómica ha demostrado ser una herramienta importante para probar las características de las TI, porque permite a los investigadores un mayor control y mayores posibilidades de explorar regímenes no accesibles actualmente en materiales reales. Los rayos láser finamente ajustados se utilizan para atrapar átomos de rubidio ultrafríos (aproximadamente mil millones de veces más fríos que la temperatura ambiente) en una estructura de celosía que simula con precisión la estructura de los materiales ideales.

Alex An, un estudiante de posgrado en física que trabaja con el profesor asistente Bryce Gadway en Illinois, es el autor principal del estudio, "Observación directa de corrientes quirales y reflexión magnética en redes de flujo atómico, "publicado recientemente en Avances de la ciencia .

El sistema Hall cuántico entero 2-D en materiales reales se caracteriza por un campo magnético que hace que los electrones hagan trayectorias cerradas, como una órbita cuadrada cerrada simple alrededor de cuatro sitios de una red cuadrada bidimensional, para adquirir un cambio de fase. conocida como fase Aharonov-Bohm. La magnitud de este cambio de fase depende de la fuerza del campo magnético encerrado por la trayectoria.

An explica, "Tanto en el sistema electrónico como en nuestro sistema simulado, Los campos magnéticos dan lugar a una topología no trivial:mientras que las partículas en la mayor parte del sistema se someten a órbitas alrededor de células de cuatro sitios, las partículas del borde no pueden experimentar órbitas completas y, en cambio, fluyen cíclicamente alrededor del borde de todo el sistema, generando corrientes quirales. Estos fenómenos microscópicos conducen a una conductancia cuantificada macroscópica, que se ha medido en materiales como el grafeno y en gases de electrones 2D basados ​​en heteroestructuras de semiconductores ".

Para este estudio, El equipo desarrolló una nueva técnica de simulación cuántica atómica que permitió a los científicos observar directamente las corrientes quirales por primera vez. Los científicos emplearon alrededor de una docena de láseres para atrapar y enfriar átomos de rubidio a temperaturas nano-Kelvin. A continuación, configuraron los átomos ultrafríos en una red periódica, en analogía precisa con los electrones en la estructura cristalina periódica de un material real. Luego, usando su nueva técnica, los científicos manipularon el campo magnético sintético para observar el comportamiento emergente de los electrones.

"Mientras que otros investigadores que trabajan en física atómico-molecular-óptica crean esta red en el espacio real, en su lugar, vinculamos estados de momento atómico para crear una red que no sea real, dimensión física, pero en una dimensión 'sintética', o espacio de impulso, "An se diferencia." Vinculamos estos estados usando un par de rayos láser que pueden impartir el impulso de los fotones a los átomos en grupos discretos ".

An continúa explicando cómo este nuevo enfoque ofrece un mayor control sobre los parámetros de celosía a nivel de sitio individual, permitiendo a los científicos diseñar fases en los átomos mientras viajan entre los sitios de la red.

"Con la adición de un segundo par de rayos láser, creamos un totalmente sintético, Rejilla 2-D de estados de impulso, " él continúa, "Debido a nuestro control resuelto por el sitio sobre la celosía, podemos aplicar diferentes flujos magnéticos sintéticos a cada celda de cuatro sitios. Entonces, donde estudios previos han construido sistemas bidimensionales con una dimensión de espacio real y una dimensión sintética, Nuestro enfoque totalmente sintético nos permite hacer algunas cosas únicas.

"Primero, tenemos la capacidad de crear patrones de flujo homogéneos y no homogéneos; esto último no es posible actualmente en los sistemas del espacio real. En segundo lugar, demostramos la capacidad de sintonizar rápida y fácilmente el flujo de un campo homogéneo en todo el rango de valores de flujo; esto ahora se ha logrado en una configuración de espacio real, aproximadamente al mismo tiempo que nuestro trabajo. Y finalmente, nuestra nueva técnica permite la observación directa resuelta en el sitio de las corrientes quirales. La observación directa de las corrientes quirales subyacentes no ha sido posible en materiales reales ".

En el estudio de flujo homogéneo, el equipo observó las corrientes quirales de un campo magnético artificial homogéneo para todo el rango de valores de flujo aplicados (-π a π). Un flujo positivo hizo que los átomos de la superficie fluyeran en el sentido de las agujas del reloj alrededor del sistema, y un flujo negativo indujo un opuesto, flujo en sentido antihorario. El sistema de ingeniería permitió al equipo sintonizar rápida y fácilmente el flujo aplicado en todo el rango de valores de flujo, más allá de la gama de materiales convencionales y con más versatilidad que los sistemas atómicos del espacio real.

Luego, en el estudio de flujo no homogéneo, el equipo diseñó una dislocación aguda en el campo magnético artificial combinando este sistema topológicamente no trivial con una región topológicamente trivial de flujo cero. Observaron que la población atómica se reflejaba en el límite entre estas dos regiones, con máxima reflexión a la mayor diferencia de flujo. Un sentido de reflexión más tradicional, como una pelota que rebota en una pared, requiere un cambio en el panorama energético potencial. Sin embargo, esta reflexión magnética se produce únicamente debido a la diferencia de topología. Este fenómeno sería muy difícil de estudiar con otros sistemas atómicos, y sería esencialmente imposible de estudiar en materiales electrónicos reales. "Para un material electrónico real, Diseñar un aumento escalonado del flujo magnético requeriría un salto de la intensidad del campo magnético en 104 Tesla en solo unos pocos angstroms, una situación loca que, sin embargo, podemos simular utilizando un sistema atómico controlado. "dice Gadway.

An enfatiza que, mientras que las TI tienen tremendas implicaciones para futuras aplicaciones en tecnología, esta es una investigación fundamental, y estos hallazgos no se incluirán de inmediato en un dispositivo de bolsillo como un teléfono inteligente.

"Esperamos arrojar más luz sobre fenómenos similares en materiales reales estudiándolos en nuestro sistema atómico, "comparte An". El efecto Hall cuántico entero que estudiamos en este trabajo está marcado por fenómenos macroscópicos como la conductancia cuantificada que se han estudiado en materiales reales, pero lo subyacente, Los estados microscópicos de los bordes quirales que dan lugar a estos fenómenos han estado fuera del alcance de los materiales reales, ¡pero no fuera del alcance de nuestro sistema! Similar, esperamos obtener más información sobre el funcionamiento subyacente de sistemas más complejos, impulsado por un deseo fundamental de comprender y como una forma de eventualmente construir materiales reales que muestren las mismas propiedades ".

En estudios futuros, el equipo planea diseñar sistemas que tengan geometrías bidimensionales similares, con características topológicas más complejas.

"Uno de estos sistemas consta de dos cables topológicos acoplados como los presentados en nuestro trabajo anterior sobre el modelo Su-Schrieffer-Heeger. El grupo de Smitha Vishveshwara ha predicho que al agregar un desorden específico a este sistema, es posible que podamos sondear el escurridizo espectro de mariposas de Hofstadter. También esperamos estudiar un nuevo tipo de sistema de 'aislante multipolar' propuesto recientemente por Wladimir Benalcazar, Taylor Hughes, y colaboradores. Este sistema se caracterizaría por modos de esquina topológicos que llevan una carga cuantificada fraccionada ".