Representación del artista de una transición inducida por el desorden a la fase del aislante topológico de Anderson. Un río que fluye a lo largo de un camino recto se ve alterado por el desorden en el paisaje subyacente. Después de pasar por una transición (cascada), el río forma un bucle cerrado, una forma con una topología diferente a la del camino inicialmente recto. En la fase del aislador topológico de Anderson, la estructura de banda trivial de un material normal se transforma en una estructura de banda topológicamente no trivial debido al desorden y las interrupciones en los acoplamientos del túnel entre los sitios de la red. El número de devanado en la fase del aislante de Anderson topológico es distinto del del caso normal sin desorden. Crédito:Lachina Creative, derechos de autor Bryce Gadway, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
Los aislantes topológicos (TI) albergan una física exótica que podría arrojar nueva luz sobre las leyes fundamentales de la naturaleza. Y lo que es más, las propiedades inusuales de los TI son muy prometedoras para las aplicaciones tecnológicas, incluso en computación cuántica, almacenamiento de datos miniaturizados de próxima generación, y espintrónica. Científicos de todo el mundo están trabajando para comprender las propiedades microscópicas de estos materiales que conducen libremente la electricidad a lo largo de sus bordes a pesar de que su volumen es un aislante.
Ahora, un equipo de físicos experimentales de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign ha realizado la primera observación de un tipo específico de TI inducida por el desorden. El profesor Bryce Gadway y sus estudiantes graduados Eric Meier y Alex An utilizaron simulación cuántica atómica, una técnica experimental que emplea láseres finamente ajustados y átomos ultrafríos aproximadamente mil millones de veces más fríos que la temperatura ambiente, para imitar las propiedades físicas de los cables electrónicos unidimensionales con un desorden sintonizable con precisión. El sistema comienza con una topología trivial justo fuera del régimen de un aislante topológico; agregar desorden empuja al sistema a la fase topológica no trivial.
Este tipo de aislante topológico inducido por el desorden se denomina aislante topológico de Anderson, lleva el nombre del destacado físico teórico y premio Nobel Philip Anderson, un alumno de University Laboratory High School en el campus de la U de I. Asombrosamente, mientras que el desorden típicamente inhibe el transporte y destruye la topología no trivial, en este sistema ayuda a estabilizar una fase topológica.
La observación fue posible gracias a la estrecha colaboración con un equipo internacional de físicos teóricos de la U de I, en el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO), y en la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) en España, quien dilucidó la física cuántica en funcionamiento e identificó la firma clave que los experimentadores deberían buscar en el sistema.
El físico teórico Pietro Massignan de la UPC y el ICFO comenta:"Intuitivamente, uno pensaría que el desorden debería jugar en contra de la conductancia. Por ejemplo, correr es fácil en campo abierto, pero se vuelve más y más difícil a medida que uno se mueve a través de un bosque cada vez más denso. Pero aquí mostramos que un trastorno adaptado adecuadamente puede desencadenar algunas excitaciones conductoras peculiares, llamados modos de borde protegidos topológicamente ".
Meier es el autor principal del artículo. "Curiosamente, " él añade, "en un sistema topológico 3D o 2D, esos estados de borde se caracterizarían por electrones que fluyen libremente. Pero en un sistema 1D como el nuestro, los estados de borde simplemente se sientan allí, en cualquier extremo del cable. En cualquier TI, los estados límite tienen la dimensionalidad de su sistema menos uno. En nuestro aislante Anderson topológico 1D, los estados de frontera son básicamente puntos. Si bien la física de límites es en realidad un poco aburrida en este sistema, hay una rica dinámica en la mayor parte del sistema que está directamente relacionada con la misma topología, esto es lo que estudiamos ".
La observación experimental del grupo valida el concepto de aisladores topológicos de Anderson que se elaboró hace aproximadamente una década. La fase del aislante topológico de Anderson fue descubierta teóricamente por primera vez por J. Li et al. en 2009, y su origen fue explicado con más detalle por C. W. Groth, et al. ese mismo año. Cinco años después, un par de obras, uno de A. Altland et al. y uno por el grupo de Taylor Hughes en la U de I trabajando con el grupo de Emil Prodan en la Universidad Yeshiva, predijo la aparición del aislante topológico de Anderson en cables unidimensionales, como se realizó en los nuevos experimentos del grupo Gadway.
Los profesores de física de la Universidad de Illinois en Urbana Champaign Bryce Gadway (extremo derecho) y Taylor Hughes (segundo desde la derecha) posan con los estudiantes graduados Alex An (izquierda) y Eric Meier, en el laboratorio de Gadway en el Laboratorio de Física Loomis. Crédito:L. Brian Stauffer, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
Gadway enfatiza, "Nuestra toma de esta investigación se inspiró realmente en la predicción de 2014 de Taylor Hughes y su estudiante graduado Ian Mondragon-Shem en la U. de I. Taylor fue un colaborador clave. Del mismo modo, Nuestros colegas en España hicieron una tremenda contribución al introducir el concepto de desplazamiento quiral medio, lo que permite medir la topología directamente en la mayor parte del material ".
"Trabajando con Taylor, "Agrega Gadway, "Nuestros colegas españoles descubrieron que el desplazamiento quiral medio es esencialmente equivalente al invariante topológico de un sistema unidimensional de este tipo, algo llamado número de cuerda. Esto fue fundamental para que pudiéramos tomar los datos del sistema y relacionar lo que vimos en el experimento con la topología del sistema. Este fue un proyecto en el que tener un grupo de teóricos fue de gran ayuda, tanto para realizar las mediciones correctas como para comprender lo que significaba todo ".
"Este es un resultado emocionante en términos de aplicaciones potenciales, "Afirma Gadway." Esto sugiere que podemos encontrar materiales reales que son casi topológicos que podríamos manipular mediante el dopaje para imbuirlos de estas propiedades topológicas. Aquí es donde la simulación cuántica ofrece una gran ventaja sobre los materiales reales:es buena para ver efectos físicos que son muy sutiles. Nuestro 'desorden de diseñador' es precisamente controlable, donde en materiales reales, el desorden es tan desordenado como parece, es incontrolable ".
"La configuración experimental de Gadway es el sueño de un teórico, Massignan agrega. "Fue como jugar con LEGO:el modelo que imaginamos podría construirse paso a paso, en un laboratorio real. Cada elemento del hamiltoniano que teníamos en mente podría implementarse de una manera muy cuidadosa, y cambiado en tiempo real ".
El investigador postdoctoral del ICFO Alexandre Dauphin agrega:"Esta plataforma también es muy prometedora para estudiar los efectos tanto de la interacción como del desorden en los sistemas topológicos, lo que podría conducir a una nueva física emocionante ".
El director del programa de NSF, Alex Cronin, supervisa el programa de financiación que apoyó este esfuerzo experimental. Señala la importancia de esta investigación fundamental que emplea con éxito sistemas cuánticos diseñados para descubrir nueva física:"Antes de que tengamos computadoras cuánticas a gran escala para estudiar una amplia gama de sistemas exóticos, ya tenemos simuladores cuánticos como este que están produciendo resultados en este momento. Es emocionante ver nuevos descubrimientos hechos con simuladores cuánticos como este ".
Estos resultados fueron publicados en línea por la revista. Ciencias el jueves, 11 de octubre 2018. Después de enviar su trabajo a la revista, los investigadores de este estudio se enteraron de la observación paralela de este mismo fenómeno por otro equipo de investigación de la Universidad de Rostock, Alemania.
"Su equipo utilizó guías de ondas fotónicas para imitar las propiedades físicas de este mismo tipo de sistema, y estudiaron propiedades en el límite del sistema. Usamos átomos fríos y observamos propiedades a granel para obtener una visualización realmente clara de la topología. "Gadway afirma." Estas dos obras eran complementarias y juntas ilustran cómo se pueden controlar diversos sistemas físicos y hacer que exhiban el mismo tipo de fenómenos interesantes ".
