La simetría es una característica fundamental de la naturaleza. Comprender los mecanismos que rompen las simetrías es fundamental para la investigación científica. Ruptura de simetría espontánea (SSB), en particular, ocurre cuando las fluctuaciones térmicas o cuánticas llevan a un sistema de un estado simétrico a un estado ordenado, como ocurre cuando un líquido se convierte en sólido. Este mecanismo permite a los investigadores clasificar diferentes fases de la materia según los diferentes patrones generados por la simetría rota.

En las últimas décadas, La topología también ha sido reconocida como una característica crucial para describir cómo se organiza la materia en el nivel fundamental. En este caso, ya no es la ruptura de ciertas simetrías, pero su conservación, que da lugar a nuevos estados de la materia, las denominadas fases topológicas protegidas por simetría (SPT). Diferentes fases topológicas pueden presentar las mismas simetrías, pero pueden distinguirse por un invariante topológico global, que toma valores enteros y se conserva bajo deformaciones continuas.

La investigación actual en física de la materia condensada tiene como objetivo comprender cómo compiten la ruptura de simetría y la protección de simetría, en particular en presencia de interacciones. En un artículo reciente publicado en Comunicaciones de la naturaleza , Los investigadores del ICFO Daniel González y Przemyslaw Grzybowski, dirigido por Alexandre Dauphin y el profesor ICREA en ICFO Maciej Lewenstein, en colaboración con Alejandro Bermudez de la Universidad Complutense de Madrid, informar cómo estos dos procesos cooperan, dando lugar a nuevos efectos topológicos fuertemente correlacionados.

En su estudio, los investigadores demostraron cómo, en presencia de interacciones fuertes, una simetría protectora emerge a bajas energías del conjunto de configuraciones restringidas por la ruptura de una simetría diferente. Esta simetría emergente estabiliza una fase topológica entrelazada, donde las propiedades topológicas coexisten con la presencia de orden de largo alcance. Es más, demuestran cómo esta interacción da lugar a interesantes efectos estáticos y dinámicos, como un transporte de partículas protegido topológicamente cuantificado a valores fraccionarios. Para esto, estudian un modelo de celosía microscópica, el modelo Z2-Bose – Hubbard, que se puede implementar experimentalmente utilizando sistemas atómicos ultrafríos.

Los resultados de este estudio abren una ventana al campo de las fases topológicas en materiales, allanando el camino para una mayor exploración de características topológicas exóticas en sistemas cuánticos fuertemente correlacionados.