Un equip internacional de físics aconsegueix simular quànticament els efectes físics de desordre en aïllants topològics

+
Descarregar

Representació artística d'una transició induïda per desordre a la fase d'aïllament topològic d'Anderson. Un riu que flueix al llarg d'un camí recte és alterat pel desordre en el paisatge subjacent. Després de passar per una transició (cascada), el riu forma un circuit tancat, una forma amb una topologia diferent a la del camí inicialment recte. A la fase d'aïllament topològic d'Anderson, l'estructura de banda trivial d'un material normal es transforma en una estructura de banda topològicament no trivial degut al desordre en els acoblaments entre els llocs de la xarxa. L’índex en la fase de l'aïllant topològic d'Anderson és diferent al del cas normal sense desordre. Imatge de Lachina Creative, copyright Bryce Gadway, Universitat d'Illinois a Urbana-Champaign.

Un equip d’investigadors de la Universitat d'Illinois a Urbana-Champaign, als Estats Units, de l’Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) i de la UPC utilitza experiments amb àtoms ultra-freds, atrapats i impulsats per làsers, per crear un nou aïllant topològic induït pel desordre. Les propietats inusuals d'aquest material obren noves aplicacions tecnològiques en computació quàntica, la pròxima generació de dispositius miniaturitzats d'emmagatzematge o en espintrònica.

16/10/2018

Els aïllants topològics (AT) presenten una física exòtica que podria donar lloc a nous descobriments sobre les lleis fonamentals de la natura. Les propietats inusuals d'aquests aïllants són una gran promesa per a les aplicacions tecnològiques com, per exemple, la computació quàntica, la pròxima generació de dispositius miniaturitzats d'emmagatzematge o l'espintrònica. Científics d’arreu del món estan treballant per comprendre les propietats microscòpiques d'aquests materials que condueixen lliurement l'electricitat al llarg dels seus marges, malgrat que el seu volum és un aïllant.

Un equip internacional de físics teòrics i experimentals ha aconseguit realitzar la primera observació d'un tipus específic d’aïllant topològic induït per desordre.

L'equip de físics experimentals de la Universitat d'Illinois a Urbana-Champaign, format pel professor Bryce Gadway i els estudiants de postgrau Eric Meier i Alex An, ha utilitzat una simulació quàntica atòmica –una tècnica experimental que utilitza làsers controlats de forma molt precisa i àtoms ultrafreds, aproximadament mil milions de vegades més freds que la temperatura ambient– per imitar les propietats físiques dels cables electrònics unidimensionals en presència de desordre controlat amb precisió. El sistema comença amb una topologia trivial just fora del règim d'un aïllant topològic; en afegir desordre, aquest empeny el sistema a la fase topològica no trivial. Aquest tipus d’aïllant topològic induït pel desordre s’anomena aïllant topològic d'Anderson, anomenat així pel destacat físic teòric i Premi Nobel Philip Anderson. Sorprenentment, mentre que normalment el desordre inhibeix el transport i destrueix els efectes topològics, en aquest sistema ajuda a estabilitzar una fase topològicament no trivial.

L'observació ha estat possible gràcies a l'estreta col·laboració d’un equip internacional de físics teòrics, de la Universitat d'Urbana-Illinois, de l'Institut de Ciències Fotòniques (ICFO) i de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC). L’equip de físics va dilucidar els processos de física quàntica en joc i van identificar la quantitat clau en què els físics experimentals havien de fixar-se i mesurar dins el sistema.

L'equip de l'ICFO i la UPC està format pels físics teòrics Pietro Massignan, Alexandre Dauphin i Maria Maffei. Massignan, investigador Ramón y Cajal del Departament de Física de la UPC i de l'ICFO, comenta: "Intuïtivament, es podria pensar que el desordre hauria de jugar contra la conductància. Per exemple, córrer és fàcil en un camp obert, però si una persona es mou a través d'un bosc cada vegada més dens, a mesura que s’endinsi en el bosc, li serà més i més difícil. Aquí hem demostrat que un desordre correctament adaptat pot desencadenar algunes excitacions conductores peculiars, anomenades modes de vora topològicament protegits".

Meier és l'autor principal de l'article. "Curiosament", afegeix, "en un sistema topològic de 3D o 2D, aquests estats de marges es caracteritzarien per electrons que flueixen lliurement. Però en un sistema 1D com el nostre, els estats de marges simplement s’assenten allà, a qualsevol dels extrems del cable. A qualsevol AT, els estats de vora tenen la dimensionalitat del seu sistema menys un. En el cas del nostre aïllant topològic d'Anderson d’1D, els estats límit són bàsicament punts a cada extrem del cable. Si bé la física de marges és en realitat una mica avorrida en aquest sistema, hi ha una dinàmica molt rica a l’interior del sistema que està directament relacionada amb la mateixa topologia, això és el que estudiem".

L'observació experimental realitzada pel grup d’investigadors valida el concepte d'aïllant topològic d'Anderson que es va elaborar teòricament fa aproximadament una dècada. La fase aïllant d'Anderson va ser descoberta per J. Li et al. el 2009, i el seu origen va ser explicat amb més detall per C. W. Groth, et al. aquell mateix any. Cinc anys després, un parell de treballs, un d'A. Altland et al. i un de Taylor Hughes et al. que treballava amb el grup d'Emil Prodan a la Universitat de Yeshiva, a Nova Yok, va predir l'aparició de l'aïllant topològic d'Anderson en cables unidimensionals, com es va realitzar en els nous experiments del grup de Bryce Gadway.

Gadway destaca: "La nostra perspectiva en aquesta recerca es va inspirar realment en la predicció de Taylor Hughes i el seu estudiant de postgrau Ian Mondragon-Shem, l'any 2014. Taylor va ser un col·laborador clau. Així mateix, els nostres col·laboradors a Barcelona van fer una gran contribució en introduir el concepte de desplaçament quiral mitjà, que permet mesurar la topologia directament a l’interior del material".

"Treballant amb Taylor", afegeix Gadway, "els nostres col·legues espanyols van descobrir que el desplaçament quiral mitjà és essencialment equivalent a l'invariant topològic del sistema unidimensional, una cosa que s’anomena índex (en anglès, winding number). Això va ser fonamental per poder obtenir les dades del sistema i relacionar el que vam veure a l'experiment amb la topologia del sistema. Va ser un projecte en què comptar amb un grup de teòrics va ser de gran ajuda, tant per realitzar les mesures correctes com per comprendre el que significava tot això".

"És un resultat emocionant en termes d'aplicacions potencials", afirma Gadway. "Això suggereix que podríem trobar materials reals que siguin gairebé topològics, i que puguem manipular-los mitjançant el dopatge per dotar-los amb aquestes propietats topològiques. Aquí és on la simulació quàntica ofereix un gran avantatge sobre els materials reals: és bo per veure efectes físics que són molt subtils. El nostre ‘desordre de disseny’ és precisament controlable, mentre que en els materials reals, el desordre és tan desordenat com sembla: és incontrolable".

"La configuració experimental de Gadway és el somni de qualsevol teòric", afegeix Massignan. "Va ser com jugar amb LEGO: el model que imaginàvem es va poder construir pas a pas, en un laboratori real. Tots els elements del Hamiltonià que teníem al cap podien implementar-se de manera molt acurada i modificar-se en temps real". L'investigador de l'ICFO Alexandre Dauphin afegeix: "Aquesta plataforma també és molt prometedora per estudiar els efectes de la interacció i el desordre en els sistemes topològics, que podria portar a una nova física completament emocionant".

Els resultats d'aquest estudi han estat publicats per la revista Science l’11 d'octubre de 2018. Aquest estudi ha tingut el suport de la National Science Foundation i de l'Office of Naval Research, dels Estats Units, així com del Ministeri d’Economia i Empresa, la Generalitat de Catalunya, la Unió Europea i la Fundació Privada Cellex.

Més informació: