"Alimentar un superconductor topológico con un cristal de tiempo te da más que la suma de sus partes, "dice Jason Alicea, investigador del Instituto de Tecnología de California (Caltech) en Estados Unidos. El descubrimiento de estados topológicos ha generado una gran cantidad de investigaciones que revelan nueva materia condensada y física cuántica. con potenciales aplicaciones tecnológicas en espintrónica y computación cuántica. Similar, poco después de las primeras observaciones de aisladores topológicos a finales de la década de 2000, surgieron los conceptos de cristales de tiempo, introduciendo otro campo nuevo para explorar nueva física que podría explotarse en tecnologías cuánticas y de cronometraje preciso.

Ahora, Alicea, junto a Aaron Chew, también en Caltech, y David Mross en el Instituto Weizmann en Israel, informe en Cartas de revisión física investigaciones teóricas de sistemas que fusionan los dos fenómenos. “El entrelazamiento entre la cristalinidad del tiempo y la física topológica genera un giro interesante en las excitaciones que se están persiguiendo para la computación cuántica tolerante a fallas, "agrega Alicea.

¿Qué son los materiales topológicos?

Los investigadores tuvieron la suerte de tropezar con estos sistemas como una especie de "feliz accidente" durante los estudios que Chew y Mross estaban realizando sobre superconductores topológicos. un tipo de toda una familia de materiales que ha proliferado fructíferamente durante los últimos 10 a 20 años. La teoría de los materiales topológicos se basa en el concepto de propiedades de las topologías (como la forma de una rosquilla o una esfera) que son invariantes bajo transformaciones suaves. Un ejemplo típico de transformaciones tan suaves es la transformación de una rosquilla en una taza de café; la esfera no puede transformarse en una rosquilla o una taza de café sin hacer un corte para el agujero o el asa, lo que haría que la transformación ya no fuera suave.

En un aislante topológico, las propiedades asociadas con la función de onda del electrón son topológicamente invariantes. Lo que los hace interesantes es la interfaz entre aisladores topológicos y ordinarios. Al cruzar este límite, la función de onda tiene que sufrir un cambio que puede conducir a estados de borde o superficie conductores en el límite que están protegidos por simetría por la conservación del número de partículas y la simetría de inversión del tiempo, haciéndolos particularmente resistentes a las perturbaciones. Esto podría permitir qubits más resistentes, por ejemplo.

Desde la primera observación de un aislante topológico 2-D en 2007, Han salido a la luz estados topológicos tridimensionales en los que el acoplamiento intrínseco espín-órbita ocupa el lugar del campo magnético, así como superconductores topológicos y análogos fotónicos y magnéticos. Desde entonces han surgido catálogos que revelan la casi ubicuidad de los materiales topológicos en la naturaleza. La extraordinaria fertilidad de este campo llevó a la concesión del Premio Nobel de Física 2016 a David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane, y J. Michael Kosterlitz "por los descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológica y las fases topológicas de la materia".

¿Qué son los cristales de tiempo?

Alrededor de 2012, Las consideraciones de los sistemas que tienen el mismo tipo de periodicidad en el tiempo que se observa en el espacio en los cristales convencionales despertaron el interés en la idea de los cristales de tiempo:"fases claras de la materia sobre las que los físicos han aprendido mucho en los últimos años, "Alicea le dice a Phys.org. En un cristal convencional, una simetría de traslación continua se rompe en el estado de energía más bajo, dando paso a una simetría periódica discreta. Al ver el tiempo como una cuarta coordenada del espacio-tiempo, parece natural buscar tal simetría rompiendo en el tiempo, así como. Sin embargo, definir los cristales de tiempo simplemente en términos de esta ruptura de simetría se enfrenta a problemas con ambigüedades en términos de energía, así como oscilaciones en algunos sistemas triviales que harían que la designación "cristal del tiempo" careciera de sentido.

En una revisión reciente de Vedika Khemani en Harvard y la Universidad de Stanford en los EE. UU., Roderich Moessner en Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme en Alemania y Shivaji Sondhi en Princeton en los Estados Unidos, los cristales de tiempo estaban más restringidos. El término solo se aplica a sistemas hamiltonianos delimitados localmente con una dependencia temporal no trivial durante tiempos asintóticamente largos que cumplen requisitos adicionales sobre las condiciones iniciales para definir una fase de la materia con ruptura de la simetría del tiempo de traslación. Esto limita los sistemas hamiltonianos que pueden dar lugar a cristales de tiempo a los denominados sistemas Floquet localizados y controlados periódicamente de muchos cuerpos.

¿Qué une a los dos?

Chew y Mross estaban particularmente interesados ​​en "anyons no abelianos" que pueden existir en fases ordenadas topológicamente. Un anyon es una partícula que no es estrictamente un fermión ni un bosón, mientras que no abeliano se refiere al comportamiento que se puede describir en términos de operaciones que conducen a resultados diferentes según el orden. Un ejemplo clásico de operaciones "sin conmutación" podría ser una rotación de 90 grados alrededor de un eje y luego un eje perpendicular.

En sistemas superconductores, existen cuasipartículas conocidas como fermiones de Majorana, un tipo de fermión que es su propia antipartícula, como planteó por primera vez Ettore Majorana en 1937. Cuando se une a un defecto, los modos de Majorana de energía cero resultantes tienen estadísticas no abelianas que podrían proporcionar los bloques de construcción anyon de una computadora cuántica topológica con qubits que son mucho más estables que los basados ​​en partículas cuánticas atrapadas.

Chew y Mross estaban investigando cómo establecer un vínculo entre defectos no abelianos en fases 2-D ordenadas topológicamente y aquellos que pueden surgir en sistemas fermiónicos estrictamente 1-D. Alicea explica que el estudio les llevó al descubrimiento de que es posible enriquecer superconductores topológicos acoplándolos a grados de libertad magnéticos controlables. "Entonces nos dimos cuenta de que al convertir esos grados magnéticos de libertad en un cristal de tiempo, La superconductividad topológica responde de manera notable, "dice Alicea.

Superconductores topológicos cristalinos en el tiempo

En su último trabajo, Alicea, Chew y Mross consideran acoplar los pares de electrones de Cooper en un superconductor topológico 1-D a espines Ising cristalinos en el tiempo, donde los giros de Ising se voltean después de cada período. Dado que se necesitan dos períodos para que los giros de Ising alcancen su estado original, se consideran espines Ising cristalinos en el tiempo de doble periodicidad.

Si un superconductor topológico de fermiones libres 1-D que aloja los modos finales de Majorana se activa periódicamente, Aparecen los "modos Floquet Majorana", transporte de energía relacionada con la mitad de la frecuencia de conducción. En una de las observaciones de su análisis de superconductores topológicos cristalinos en el tiempo, Alicea, Chew y Mross revelan una periodicidad cuadriplicada en los "modos Floquet Majorana". También proponen esquemas experimentales para implementar y detectar estos sistemas.

"Es tentador imaginar la generación de algunas operaciones cuánticas útiles controlando los grados de libertad magnéticos que se entrelazan con la física topológica. O quizás ciertos canales de ruido se pueden suprimir mediante la explotación de cristales de tiempo". "dice Alicea. El trabajo futuro puede investigar si estos sistemas también pueden ocurrir en materiales 2-D y 3-D". La existencia de cristales de tiempo, sin embargo, es un tema sutil fuera de 1-D, "Agrega Alicea." Aún es interesante, aunque, preguntar si uno puede realizar análogos de dimensiones superiores de nuestro superconductor topológico cristalino en el tiempo 1-D. Es posible que solo vivan por un tiempo finito pero ese tiempo podría ser lo suficientemente largo para observar nueva física ".

© 2020 Science X Network