Físicos de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong (HKUST) y la Universidad de Pekín (PKU) han creado con éxito la primera simulación tridimensional del mundo de materia topológica formada por átomos ultrafríos. Los intentos anteriores de simulaciones de materia topológica se limitaron a dimensiones inferiores, debido a los desafíos sobre cómo caracterizar la topología de banda 3-D en sistemas atómicos. Este avance abre la puerta a un examen más detallado de la nueva materia topológica que no se puede realizar bien en sólidos. Tal ingeniería nunca antes realizada de material artificial con átomos ultrafríos puede permitir ahora a los físicos modelar fases inusuales de la materia.

Prof. Gyu-Boong Jo, El profesor asociado del Departamento de Física de HKUST colaboró ​​con el profesor Xiong-Jun Liu, Profesor de la Facultad de Física de PKU e ideó una estructura de celosía cristalina artificial, propuesto previamente por el grupo PKU, para modelar átomos ultrafríos preparados a 30 mil millonésimas de grado por encima del cero absoluto. Esta nueva materia cuántica sintética es un semimetal topológico de línea nodal acoplado en 3-D espín-órbita, y exhibe una simetría de grupo magnético emergente. Los investigadores correlacionaron el giro del átomo con la dirección del movimiento atómico, lo que hizo topológico el comportamiento general del átomo. Con tal simetría, los investigadores demostraron que la topología de la banda 3-D se puede resolver solo imaginando patrones de espín 2-D en los planos simétricos, y además observó con éxito el semimetal topológico 3-D en el experimento. Las técnicas de detección utilizadas aquí se pueden aplicar generalmente para explorar todos los estados topológicos 3-D de simetrías similares cuando estén disponibles.

La investigación se publicó recientemente en línea en Física de la naturaleza el 29 de julio 2019.

La materia topológica compleja se ha convertido en el foco de la investigación tanto industrial como académica porque se considera una forma de allanar el camino para hacer que la computación cuántica sea más robusta y libre de ruido. Las computadoras cuánticas físicas de hoy en día siguen siendo ruidosas, y la corrección de errores cuánticos es un campo de investigación en crecimiento. El objetivo de la computación cuántica tolerante a fallas ha impulsado la inversión en materia topológica compleja.

La materia topológica se clasifica por las propiedades geométricas del estado cuántico en el material. La naturaleza topológica del material significa que tiende a soportar imperfecciones dentro de un sistema operativo y también tiene el potencial de otras propiedades exóticas aún desconocidas.

"Nuestro trabajo abre muchas posibilidades para desarrollar nuevos materiales topológicos que no ocurren naturalmente, ", dijo el profesor Jo." Este desarrollo demuestra que existe una nueva posibilidad de explorar material topológico complejo en 3-D, y proporcionará una plataforma útil para la simulación cuántica ".

"Este es un gran avance para la simulación cuántica con átomos ultrafríos, ", dijo el profesor Liu." Permite la investigación experimental y la observación de fases no triviales de todas las dimensiones físicas, incluyendo varios aislantes, semimetal, y fases superfluidas con topología no trivial en átomos ultrafríos ".