Utilizando un simulador cuántico atómico, los científicos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han logrado la primera observación directa de las corrientes quirales en el modelo de aislador topológico, el sistema Hall cuántico de enteros en 2-D.
Los aislantes topológicos TI son posiblemente la clase de materiales más prometedora descubierta en los últimos años, con muchas aplicaciones potenciales teorizadas. Esto se debe a que los TI exhiben una calidad especial: la superficie del material conduce electricidad, mientras que la mayor parte actúa como un aislante.Durante la última década, los científicos han investigado ampliamente las propiedades microscópicas de los TI, para comprender mejor la física fundamental que rige su comportamiento peculiar.
La simulación cuántica atómica ha demostrado ser una herramienta importante para probar las características de los TI, ya que permite a los investigadores un mayor control y mayores posibilidades de explorar regímenes que actualmente no son accesibles en materiales reales. Los rayos láser finamente sintonizados se utilizan para atrapar átomos de rubidio ultrafríos aproximadamente unmil millones de veces más frío que la temperatura ambiente en una estructura reticular que simula con precisión la estructura de los materiales ideales.
Alex An, un estudiante graduado de física que trabaja con el profesor asistente Bryce Gadway en Illinois, es el autor principal del estudio, "Observación directa de corrientes quirales y reflexión magnética en redes de flujo atómico", publicado recientemente en Avances científicos .
El sistema Hall cuántico entero en 2D en materiales reales se caracteriza por un campo magnético que hace que los electrones formen trayectorias cerradas, como una órbita cuadrada cerrada simple alrededor de cuatro sitios de una red cuadrada bidimensional, paraadquirir un cambio de fase conocido como fase de Aharonov-Bohm. La magnitud de este cambio de fase depende de la intensidad del campo magnético encerrado por la trayectoria.
An explica: "Tanto en el sistema electrónico como en nuestro sistema simulado, los campos magnéticos dan lugar a una topología no trivial: mientras las partículas en la mayor parte del sistema experimentan órbitas alrededor de las células de cuatro sitios, las partículas del borde no pueden experimentar órbitas completas y en su lugarfluyen cíclicamente alrededor del borde de todo el sistema, generando corrientes quirales. Estos fenómenos microscópicos conducen a una conductancia cuantificada macroscópica, que se ha medido en materiales como el grafeno y en gases de electrones 2D basados en heteroestructuras de semiconductores ".
Para este estudio, el equipo desarrolló una nueva técnica de simulación atómica-cuántica que permitió a los científicos observar directamente las corrientes quirales por primera vez. Los científicos emplearon alrededor de una docena de láseres para atrapar y enfriar átomos de rubidio a nano-KelvinA continuación, configuraron los átomos ultrafríos en una red periódica, en analogía precisa con los electrones en la estructura cristalina periódica de un material real. Luego, utilizando su nueva técnica, los científicos manipularon el campo magnético sintético para observar el comportamiento emergente de los electrones..
"Mientras que otros investigadores que trabajan en física atómica-molecular-óptica crean esta red en el espacio real, en cambio vinculamos los estados de momento atómico para crear una red no en una dimensión física real, sino en una dimensión 'sintética' o espacio de momento, "An diferencia". Vinculamos estos estados utilizando un par de rayos láser que pueden impartir impulso fotónico a los átomos en grupos discretos ".
A continuación, se explica cómo este nuevo enfoque ofrece un mayor control sobre los parámetros de la red a nivel de sitio individual, lo que permite a los científicos diseñar fases en los átomos a medida que viajan entre los sitios de la red.
"Con la adición de un segundo par de rayos láser, creamos un entramado bidimensional completamente sintético de estados de momento", continúa, "debido a nuestro control resuelto en el sitio sobre el entramado, podemos aplicar diferentes magnéticos sintéticosflujos a cada celda de cuatro sitios. Entonces, donde estudios previos han construido sistemas bidimensionales con una dimensión de espacio real y una dimensión sintética, nuestro enfoque totalmente sintético nos permite hacer algunas cosas únicas.
"Primero, tenemos la capacidad de crear patrones de flujo homogéneos y no homogéneos; este último no se puede obtener actualmente en sistemas de espacio real. En segundo lugar, demostramos la capacidad de sintonizar rápida y fácilmente el flujo de un campo homogéneo a través dela gama completa de valores de flujo: esto se ha logrado ahora en una configuración en el espacio real, aproximadamente al mismo tiempo que nuestro trabajo. Y finalmente, nuestra nueva técnica permite la observación directa resuelta en el sitio de las corrientes quirales.las corrientes quirales no han sido posibles en materiales reales "
En el estudio de flujo homogéneo, el equipo observó las corrientes quirales de un campo magnético artificial homogéneo para todo el rango de valores de flujo aplicados. Un flujo positivo hizo que los átomos de la superficie fluyeran en sentido horario alrededor del sistema, y un flujo negativo indujo un efecto opuesto, flujo en sentido antihorario. El sistema de ingeniería permitió al equipo sintonizar rápida y fácilmente el flujo aplicado en todo el rango de valores de flujo, más allá del rango de materiales convencionales y con más versatilidad que los sistemas atómicos del espacio real.
Luego, en el estudio de flujo no homogéneo, el equipo diseñó una dislocación aguda en el campo magnético artificial combinando este sistema topológicamente no trivial con una región topológicamente trivial de flujo cero. Observaron que la población atómica se reflejaba fuera del límite entre estas dos regiones, con la máxima reflexión en la mayor diferencia de flujo. Un sentido de reflexión más tradicional, como una pelota que rebota en una pared, requiere un cambio en el paisaje de energía potencial. Sin embargo, esta reflexión magnética se produce únicamente debido a la diferencia en la topología.Este fenómeno sería muy difícil de estudiar con otros sistemas atómicos, y sería esencialmente imposible de estudiar en materiales electrónicos reales ". Para un material electrónico real, diseñar un aumento de flujo magnético tan escalonado requeriría un salto de las intensidades del campo magnéticopor 104 Tesla en unos pocos angstroms, una situación loca que, sin embargo, podemos simular usando un sistema atómico controlado ", dices Gadway.
Un subraya que, si bien los TI tienen enormes implicaciones para futuras aplicaciones en tecnología, esta es una investigación fundamental, y estos hallazgos no entrarán de inmediato en un dispositivo de bolsillo como un teléfono inteligente.
"Esperamos arrojar más luz sobre fenómenos similares en materiales reales estudiándolos en nuestro sistema atómico", comparte An. "El efecto Hall cuántico entero que estudiamos en este trabajo está marcado por fenómenos macroscópicos como la conductancia cuantificada que han sidoestudiado en materiales reales, pero los estados de borde quirales microscópicos subyacentes que dan lugar a estos fenómenos han estado fuera del alcance de los materiales reales, ¡pero no fuera del alcance de nuestro sistema! Del mismo modo, esperamos obtener más información sobre el funcionamiento subyacentede sistemas más complejos, alimentados por un deseo fundamental de entender y como una forma de construir materiales reales que muestren las mismas propiedades ".
En futuros estudios, el equipo planea diseñar sistemas que tengan geometrías bidimensionales similares, con características topológicas más complejas.
"Uno de estos sistemas consta de dos cables topológicos acoplados como los que se presentaron en nuestro trabajo anterior sobre el modelo Su-Schrieffer-Heeger. El grupo de Smitha Vishveshwara ha predicho que al agregar un trastorno específico a este sistema, podremossondear el escurridizo espectro de mariposa Hofstadter. También esperamos estudiar un nuevo tipo de sistema de 'aislador multipolar' recientemente propuesto por Wladimir Benalcazar, Taylor Hughes y colaboradores. Este sistema se caracterizaría por modos de esquina topológicos con carga fraccionada cuantificada ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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