La estructura de espín en los átomos del cristal está hecha de luz:es posible cambiar entre estados simples y complejos. Crédito:Universidad Tecnológica de Viena
Los electrones no son solo pequeñas esferas, rebotando a través de un material como una pelota de goma. Las leyes de la física cuántica nos dicen que los electrones se comportan como ondas. En algunos materiales, estas ondas de electrones pueden adoptar formas bastante complicadas. Los llamados "materiales topológicos" producen estados de electrones que pueden ser muy interesantes para aplicaciones técnicas, pero es extremadamente difícil identificar estos materiales y sus estados electrónicos asociados.
TU Wien (Viena) y varios grupos de investigación de China han desarrollado nuevas ideas y las han implementado en un experimento. Se crea un "cristal" hecho de ondas de luz para mantener los átomos en un patrón geométrico muy especial. Estos "cristales de luz", que se han utilizado de diferentes formas para la manipulación de átomos, ahora se puede utilizar para desequilibrar deliberadamente el sistema. Al cambiar entre estados simples y complicados, el sistema revela si tiene estados topológicamente interesantes o no. Estos hallazgos ahora se han publicado en la revista Cartas de revisión física .
Rollos de pan y rosquillas
La importancia de la topología se puede ver fácilmente si empacamos demasiadas cosas en una bolsa de compras:un panecillo puede aplastarse ligeramente y exprimirse en una forma similar a un plátano. Los panecillos y los plátanos tienen la misma estructura geométrica básica, topológicamente son iguales. Por otra parte, una rosquilla tiene un agujero en el medio, su topología es diferente. Incluso si está ligeramente apretado, su forma todavía se puede distinguir fácilmente de la del panecillo.
Instrumentos ópticos en TU Wien. Crédito:Universidad Tecnológica de Viena
"Es similar con los estados cuánticos, "explica el profesor Jörg Schmiedmayer del Centro de Viena de Ciencia y Tecnología Cuántica (VCQ) en TU Wien." Los estados cuánticos pueden tener una topología no trivial que los protege con respecto a ciertas perturbaciones. Eso es lo que los hace tan interesantes para la tecnología, porque siempre tienes que lidiar con las perturbaciones en cada experimento y en cada aplicación tecnológica del mundo real ". En 2016, el Premio Nobel de Física a la investigación se otorgó a la investigación sobre estados topológicos de la materia, pero todavía se considera extremadamente difícil determinar si un determinado material permite estados cuánticos topológicamente interesantes.
"Estados cuánticos que no están en equilibrio, están cambiando rápidamente, ", dice Jörg Schmiedmayer." Esta dinámica es muy difícil de entender, pero como hemos mostrado, es una excelente manera de obtener información extremadamente interesante sobre el sistema ". Schmiedmayer cooperó con equipos de investigación de China." El experimento fue dirigido por el profesor Shuai Chen, en el grupo de investigación del Prof. Jian-Wei Pan. Ambos fueron colaboradores de mi grupo en Heidelberg, y desde su regreso a China, hemos trabajado en estrecha colaboración, "dice Schmiedmayer. La TU de Viena y la Universidad China de Ciencia y Tecnología (USTC, Heifei, China) firmó un acuerdo de cooperación en 2016, que fortaleció la cooperación en investigación, especialmente en el campo de la física.
Una estructura de bandas topológicamente trivial (izquierda), como un valle, en el que una bola rodante se acerca al punto más bajo. La estructura de la derecha es más compleja. Crédito:Universidad Tecnológica de Viena
Un desequilibrio que revela las propiedades de los materiales
Con la ayuda de ondas de luz interferentes, los átomos se pueden mantener en lugares predefinidos, creando una cuadrícula regular de átomos, similar a un cristal, los átomos toman el papel de los electrones en un cristal de estado sólido. Cambiando la luz la geometría de la disposición atómica se puede cambiar, para examinar cómo se comportarían los estados de los electrones en un material en estado sólido real.
"Con este cambio, se está generando repentinamente un desequilibrio masivo, "dice Jörg Schmiedmayer." Los estados cuánticos deben reorganizarse y acercarse a un nuevo equilibrio, como pelotas que ruedan colina abajo hasta encontrar el equilibrio en el valle. Y durante este proceso podemos ver firmas claras que nos dicen si se encuentran o no estados topológicamente interesantes. "
Esta es una nueva perspectiva importante para la investigación de materiales topológicos. Incluso se podrían adaptar los cristales de luz artificial para simular ciertas estructuras cristalinas y para encontrar nuevos materiales topológicos.
