Kvanttisimulointia topologisista eristeistä

Käyttämällä atomista kvanttisimulaatiota University of Illinois at Urbana-Champaignissa toiminut tutkijaryhmä on suoraan havainnut ensimmäistä kertaa topologisessa eristeessä suojatun rajatilan (topologinen solitonitila).

Tällainen tavallaan kvanttitietotekniikan esiaste jäljittelee topologisen eristeen ominaisuuksia hienosäädettyjen lasereiden ja ultrakylmien atomien avulla.

Fysiikan opiskelijat Eric Meier ja Fangzhao Alex An yhdessä yliassistentti Bryce Gadwayn kanssa kehittivät kokeellisen menetelmän ja lähestymistavan, jonka avulla ryhmä saattoi koestaa kvanttisiirtymäilmiöitä.

"Kvanttisimulointi mahdollistaa joitakin ainutlaatuisia toimintoja verrattuna suoraan tutkimuksiin elektronien liikkumisesta reaalisissa materiaaleissa", kertoo Bryce Gadway. "Tärkein etu käyttää neutraaleja atomeja on mahdollisuus manipuloida niitä mielensä mukaan käyttämällä laservaloa ja muita sähkömagneettisia kenttiä."

"Muuttamalla näiden hallittujen kenttien yksityiskohtia, voimme esimerkiksi lisätä sopivia häiriöitä tutkiaksemme lokaalisia ilmiöitä tai rikkoa systeemin symmetrioita hallitusti, kuten ottamalla käyttöön vahvan magneettikentän.

Perimmäisenä tavoitteena on käyttää tällaista hyvin hallittua systeemiä järjestelmässä, jossa hiukkaset vuorovaikuttavat vahvasti ja tutkia uusia ilmiöitä, joiden syntymistä emme olisi voineet ennustaa perustuen yhden atomin käyttäytymiseen," toteaa Gadway yliopistonsa tiedotteessa.

Ryhmän uusi menetelmä vie tällaisen systeemisuunnittelun idean tai "Hamilton engineering" -menettelyn äärimmilleen, mahdollistaen tutkijoiden ohjata jokaista yksittäistä osa-aluetta, joka ohjaa yksittäisien hiukkasien liikkeitä.

"Tämä tutkimus oli tärkeä, koska osoitimme ensimmäistä kertaa, että voimme käyttää menetelmää toteuttamaan topologisia järjestelmiä ja sillä on vahva lupaus tulevaisuuden atomisten topologisten järjestelmien vuorovaikutuksien realisoinnista," kommentoi aihetta Eric Meier.

Ryhmän uuteen tekniikkaan sisältyy lupaus jatkossakin tutkia topologisten järjestelmien perustavanlaatuista käyttäytymistä. Muita kokeiluja on jo käynnissä, laajentaen tätä työtä kaksiulotteisiin kvantti Hall -tyypin järjestelmiin ja tutkia topologisia eristeitä häiriöiden läsnä ollessa.

"Tulevaisuuden kokeet samanlaisin piirtein, mutta hieman eri kokeellisin järjestelmin, voisivat mahdollistaa tutkimukset vahvasti korreloivista siirtoilmiöistä, jotka ovat tavoittamattomissa klassisella simuloinnilla," toteaa Gadway.