_ Cercetările dezvăluie o inversare topologică surprinzătoare în sisteme cuantice

În principiu, nu ar trebui să compare merele cu portocalele. Cu toate acestea, în topologie, care este o ramură a matematicii, trebuie să facem exact asta. Se pare că merele și portocalele sunt aceleași din punct de vedere topologic, deoarece ambele nu au o gaură - spre deosebire de gogoși sau cești de cafea, de exemplu, care ambele au unul (mânerul în cazul ceștii) și, astfel, sunt egale din punct de vedere topologic.

Într-un mod mai abstract, sistemele cuantice din fizică pot avea și o topologie specifică de măr sau gogoși, care se manifestă în stările energetice și mișcarea particulelor. Cercetătorii sunt foarte interesați de astfel de sisteme, deoarece topologia lor le face robuste împotriva tulburărilor și a altor influențe perturbatoare, care sunt întotdeauna prezente în sistemele fizice naturale.

Lucrurile devin deosebit de interesante dacă, în plus, particulele dintr-un astfel de sistem. interacționează, ceea ce înseamnă că se atrag sau se resping reciproc, ca electronii din solide. Totuși, studiul topologiei și interacțiunilor împreună în solide este extrem de dificil. O echipă de cercetători de la ETH condusă de Tilman Esslinger a reușit acum să detecteze efecte topologice într-un solid artificial, în care interacțiunile pot fi activate sau oprite folosind câmpuri magnetice.

Rezultatele lor, care apar în Science. , ar putea fi folosit în tehnologii cuantice în viitor.

Zijie Zhu, Ph.D. student în laboratorul lui Esslinger și primul autor al studiului, și colegii săi au construit solidul artificial folosind atomi extrem de reci (atomi de potasiu fermionici), care au fost prinși în rețele periodice spațial folosind raze laser. Razele laser suplimentare au făcut ca nivelurile de energie ale site-urilor adiacente ale rețelei să se miște periodic în sus și în jos, nesincrone unele față de altele.

După ceva timp, cercetătorii au măsurat pozițiile atomilor din rețea, iniţial fără interacţiuni între atomi. În acest experiment, ei au observat că topologia gogoșilor a stărilor de energie a făcut ca particulele să fie transportate de un loc de rețea, întotdeauna în aceeași direcție, la fiecare repetare a ciclului.

„Acest lucru poate fi imaginat ca acțiunea unui șurub”, spune Konrad Viebahn, Senior Postdoc în echipa lui Esslinger. Mișcarea de înșurubare este o rotație în sensul acelor de ceasornic în jurul axei sale, dar șurubul în sine se mișcă în direcția înainte. La fiecare rotație șurubul avansează o anumită distanță, care este independentă de viteza cu care se rotește șurubul. Un astfel de comportament, cunoscut și sub numele de pompare topologică, este tipic pentru anumite sisteme topologice.

Dar ce se întâmplă dacă șurubul lovește un obstacol? În experimentul cercetătorilor ETH, acel obstacol a fost un fascicul laser suplimentar care a restrâns libertatea de mișcare a atomilor în direcția longitudinală. După aproximativ 100 de rotații ale șurubului, atomii au intrat într-un perete, parcă. În analogia folosită mai sus, peretele reprezintă o topologie de măr în care pomparea topologică nu poate avea loc.

Retur surprinzător

În mod surprinzător, atomii nu s-au oprit pur și simplu la perete, ci s-a întors brusc. Șurubul se deplasa astfel înapoi, deși continua să fie rotit în sensul acelor de ceasornic. Esslinger și echipa sa explică această întoarcere prin cele două topologii de gogoși care există în rețea - una cu o gogoși care se rotește în sensul acelor de ceasornic și alta care se rotește în direcția opusă. La perete, atomii se pot schimba de la o topologie la alta, inversând astfel direcția de mișcare.

Apoi, cercetătorii au pornit o interacțiune respingătoare între atomi și au urmărit ce s-a întâmplat. Din nou, aveau o surpriză: atomii s-au întors acum la o barieră invizibilă chiar înainte de a ajunge la peretele laser.

„Folosind modele de calcul, am putut arăta că bariera invizibilă a fost creată de atomii înșiși prin repulsia lor reciprocă”, explică Ph.D. studenta Anne-Sophie Walter.

„Cu aceste observații am făcut un pas mare către o mai bună înțelegere a sistemelor topologice care interacționează”, spune Esslinger, care studiază astfel de efecte. Ca un pas următor, el dorește să efectueze experimente suplimentare pentru a investiga dacă șurubul topologic este la fel de robust pe cât era de așteptat în ceea ce privește dezordinea și cum se comportă atomii în două sau trei dimensiuni spațiale.

Esslinger are, de asemenea, unele aplicații practice în minte. De exemplu, transportul atomilor sau ionilor prin pompare topologică ar putea fi folosit ca o autostradă de qubit pentru a duce qubiții (biții cuantici) din computerele cuantice în locurile potrivite, fără a le încălzi sau a le perturba stările cuantice.

(Fluierul)