Квантовые ухищрения, на которые идут, чтобы раскрыть секреты топологических материалов.
Спиновая структура в атомах в кристалле из света может переключаться между простыми и сложными состояниями. Венский технологический университет
Электроны — это не просто маленькие сферы, проникающие сквозь материал как резиновые мячи. Законы квантовой физики говорят нам, что электроны ведут себя и как волны. В некоторых материалах эти электронные волны могут принимать довольно сложные формы. Так называемые «топологические материалы» создают электронные состояния, очень интересные в плане технического применения, но идентифицировать эти материалов и связанные с ними электронные состояния чрезвычайно сложно.
Венский технологический университет и несколько исследовательских групп из Китая разработали новые методы и реализовали их в своих экспериментах. «Кристалл» из световых волн создается для удержания атомов в шаблоне со специфической геометрией. Эти «кристаллы света», различными способами использовавшиеся для манипулирования атомами, теперь могут быть применены для целенаправленного вывода системы из равновесия. Переключаясь между простыми и сложными состояниями, система выявляет наличие или отсутствие топологически интересных состояний. Эти результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Булочки и пончики
Важность топологии становится ясна, когда мы складываем слишком много вещей в хозяйственную сумку: булочка может быть слегка раздавлена и сжата в форму, похожую на банан. Булочка и банан имеют одинаковую базовую геометрическую структуру, топологически они сходны. С другой стороны, у бублика есть отверстие в середине – у него другая топология. Даже если его слегка сжать, его форма все равно легко отличима от формы булочки.
Оптическое оборудование в ТУ Вены. Венский технологический университет
«Это похоже на квантовые состояния», — объясняет профессор Йорг Шмидмайер из Венского центра квантовых наук и технологий (VCQ) при Венском технологическом университете. «Квантовые состояния могут иметь нетривиальную топологию, которая защищает их от определенных возмущений. Именно это делает их интересными для техники, потому что вам всегда приходится иметь дело с возмущениями в каждом эксперименте и в каждой реальном технологии». В 2016 году Нобелевская премия по физике была присуждена за исследования топологических состояний вещества, но до сих пор считается чрезвычайно сложным определить, допускает ли определенный материал топологически интересные квантовые состояния.
«Квантовые состояния, которые не находятся в равновесии, быстро меняются», — говорит Йорг Шмидмайер. «Эта динамика, как известно, трудна для понимания, но, как мы показали, это отличный способ получить чрезвычайно важную информацию о системе». Шмидмайер сотрудничал с исследовательскими группами из Китая. «Эксперимент был проведен профессором Шуай Ченом в исследовательской группе профессора Цзянь-Вэя Пана. Оба они когда-то были сотрудниками моей группы в Гейдельберге, и с тех пор, как они вернулись в Китай, мы тесно сотрудничаем», — говорит он. Schmiedmayer. В 2016 году Венский университет и Китайский университет науки и технологий (USTC, Хейфэй, Китай) подписали соглашение о сотрудничестве, которое укрепило сотрудничество в области исследований, особенно в области физики.
Топологически тривиальная полосовая структура (слева), очень похожая на долину, в которой катящийся шар приближается к самой нижней точке. Структура справа более сложная. Венский технологический университет
Дисбаланс, раскрывающий свойства материала
С помощью ограничивающих световых волн атомы могут удерживаться в заранее определенных местах, создавая регулярную решетку атомов, похожую на кристалл, причем атомы играют роль аналога электронов в твердотельном кристалле. Изменяя электромагнитные волны, можно преобразовывать геометрию расположения атомов, и исследовать, как электронные состояния будут вести себя в реальном твердотельном материале.
«С этим преобразованием внезапно возникает огромный дисбаланс», — говорит Йорг Шмидмайер. «Квантовые состояния должны меняться и приходить к новому равновесному состоянию, подобно шарам, что, скатываясь ко склону, находят равновесное состояние во впадине. И в ходе этого процесса мы можем видеть четкие сигнатуры, которые сообщают нам, могут ли быть найдены топологически интересные состояния или нет».
Это важный новый взгляд на исследования топологических материалов. В дальнейшем может стать возможной адаптация кристаллов искусственного света для моделирования определенных кристаллических структур и поиска новых топологических материалов.
Источник: Wei Sun et al. Uncover Topology by Quantum Quench Dynamics, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.250403