Los aisladores que conducen en sus bordes son prometedores para aplicaciones tecnológicas interesantes. Sin embargo, hasta ahora sus características no se han entendido completamente. Los físicos de la Universidad Goethe ahora han modelado lo que se conoce como aislantes topológicos con la ayuda de gases cuánticos ultrafríos. En el número actual de Cartas de revisión física , demuestran cómo los estados de borde podrían detectarse experimentalmente.

Imagine un disco hecho de un aislante con un borde conductor a lo largo del cual fluye siempre una corriente en la misma dirección. "Esto hace que sea imposible que se impida una partícula cuántica, porque el estado de fluir en la otra dirección simplemente no existe, "explica Bernhard Irsigler, el primer autor del estudio. En otras palabras:en el estado de borde, la corriente fluye sin resistencia. Esto podría usarse, por ejemplo, para aumentar la estabilidad y la eficiencia energética de los dispositivos móviles. También se está investigando cómo usar esto para construir láseres que sean más eficientes.

En años recientes, También se han producido aislantes topológicos en gases cuánticos ultrafríos para comprender mejor su comportamiento. Estos gases se producen cuando un gas normal se enfría a temperaturas entre una millonésima y una milmillonésima de grado por encima del cero absoluto. Esto hace que los gases cuánticos ultrafríos sean los lugares más fríos del universo. Si también se produce un gas cuántico ultrafrío en una red óptica hecha de luz láser, los átomos de gas se disponen con tanta regularidad como en la red cristalina de un sólido. Sin embargo, a diferencia de un sólido, se pueden variar muchos parámetros, permitiendo estudiar los estados cuánticos artificiales.

"Nos gusta llamarlo simulador cuántico porque este tipo de sistema revela muchas cosas que tienen lugar en los sólidos. El uso de gases cuánticos ultrafríos en redes ópticas, podemos entender la física básica de los aislantes topológicos, "explica el coautor Jun-Hui Zheng.

Una diferencia significativa entre un sólido y un gas cuántico, sin embargo, es que los gases en forma de nube no tienen bordes definidos. Entonces, ¿cómo decide un aislante topológico en un gas ultrafrío dónde están sus estados de borde? Los investigadores del grupo de investigación del profesor Walter Hofstetter en el Instituto de Física Teórica de la Universidad Goethe responden a esta pregunta en su estudio. Modelaron una barrera artificial entre un aislador topológico y un aislador normal. Esto representa el borde del aislante topológico a lo largo del cual se forma el estado del borde conductor.

"Demostramos que el estado del borde se caracteriza a través de correlaciones cuánticas que podrían medirse en un experimento utilizando un microscopio cuántico de gas. Universidad de Harvard, El MIT y el Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica de Múnich realizan este tipo de mediciones, "dice Hofstetter. Un microscopio cuántico de gas es un instrumento con el que se pueden detectar átomos individuales en experimentos". Para nuestro trabajo, es fundamental que tengamos en cuenta explícitamente la interacción entre las partículas del gas cuántico. Eso hace que la investigación sea más realista pero también mucho más complicado. Los complejos cálculos no se podrían realizar sin una supercomputadora. La estrecha colaboración con los principales científicos europeos en el contexto de la Unidad de Investigación de DFG 'Campos de calibre artificial y fases topológicas interactivas en átomos ultrafríos' también es de particular importancia para nosotros. ", Añade Hofstetter.