De una manera más abstracta, los sistemas cuánticos en física también pueden tener una topología específica de manzana o dona, que se manifiesta en los estados de energía y el movimiento de las partículas. Los investigadores están muy interesados ​​en estos sistemas porque su topología los hace resistentes al desorden y otras influencias perturbadoras, que siempre están presentes en los sistemas físicos naturales.

Las cosas se vuelven especialmente interesantes si, además, las partículas de un sistema de este tipo interactúan, es decir, se atraen o se repelen entre sí, como los electrones en los sólidos. Sin embargo, estudiar la topología y las interacciones juntas en sólidos es extremadamente difícil. Un equipo de investigadores de la ETH dirigido por Tilman Esslinger ha logrado detectar efectos topológicos en un sólido artificial, en el que las interacciones se pueden activar o desactivar mediante campos magnéticos.

Sus resultados, que aparecen en Science , podría utilizarse en tecnologías cuánticas en el futuro.

Transporte por topología

Zijie Zhu, Ph.D. estudiante del laboratorio de Esslinger y primer autor del estudio, y sus colegas construyeron el sólido artificial utilizando átomos extremadamente fríos (átomos de potasio fermiónicos), que quedaron atrapados en redes espacialmente periódicas utilizando rayos láser. Los rayos láser adicionales causaron que los niveles de energía de los sitios de la red adyacentes se movieran hacia arriba y hacia abajo periódicamente, sin sincronizarse entre sí.

Después de un tiempo, los investigadores midieron las posiciones de los átomos en la red, inicialmente sin interacciones entre los átomos. En este experimento observaron que la topología en forma de dona de los estados de energía hacía que las partículas fueran transportadas por un sitio de la red, siempre en la misma dirección, en cada repetición del ciclo.

"Esto se puede imaginar como la acción de un tornillo", afirma Konrad Viebahn, postdoctorado senior del equipo de Esslinger. El movimiento de atornillado es una rotación en el sentido de las agujas del reloj alrededor de su eje, pero como resultado el tornillo se mueve hacia adelante. Con cada revolución el tornillo avanza una cierta distancia, que es independiente de la velocidad a la que se gira el tornillo. Este comportamiento, también conocido como bombeo topológico, es típico de ciertos sistemas topológicos.

¿Pero qué pasa si el tornillo topa con un obstáculo? En el experimento de los investigadores de ETH, el obstáculo era un rayo láser adicional que restringía la libertad de movimiento de los átomos en dirección longitudinal. Después de aproximadamente 100 vueltas del tornillo, los átomos chocaron contra una pared. En la analogía utilizada anteriormente, la pared representa una topología de manzana en la que el bombeo topológico no puede tener lugar.

Regreso sorprendente

Sorprendentemente, los átomos no se detuvieron simplemente en la pared, sino que de repente dieron media vuelta. De este modo, el tornillo se movía hacia atrás, aunque seguía girando en el sentido de las agujas del reloj. Esslinger y su equipo explican este retorno por las dos topologías de donut que existen en la red:una con un donut que gira en el sentido de las agujas del reloj y otra que gira en la dirección opuesta. En la pared, los átomos pueden cambiar de una topología a otra, invirtiendo así su dirección de movimiento.

Luego los investigadores activaron una interacción repulsiva entre los átomos y observaron lo que sucedía. Una vez más se llevaron una sorpresa:los átomos ahora giraron hacia una barrera invisible incluso antes de alcanzar la pared láser.

"Utilizando cálculos de modelos, pudimos demostrar que la barrera invisible fue creada por los propios átomos a través de su repulsión mutua", explica Ph.D. estudiante Anne-Sophie Walter.

Autopista Qubit para ordenadores cuánticos

"Con estas observaciones hemos dado un gran paso hacia una mejor comprensión de los sistemas topológicos que interactúan", afirma Esslinger, que estudia estos efectos. Como próximo paso, quiere realizar más experimentos para investigar si el tornillo topológico es tan robusto como se esperaba con respecto al desorden y cómo se comportan los átomos en dos o tres dimensiones espaciales.

Esslinger también tiene en mente algunas aplicaciones prácticas. Por ejemplo, el transporte de átomos o iones mediante bombeo topológico podría usarse como una autopista de qubits para llevar los qubits (bits cuánticos) de las computadoras cuánticas a los lugares correctos sin calentarlos ni alterar sus estados cuánticos.