Podniesienie zasłony cenzury topologicznej

Ochrona topologiczna zapewnia niespotykaną dotąd odporność zjawisk fizycznych na wszelkiego rodzaju zakłócenia; czyniąc to, stosuje cenzurę topologiczną, ukrywając wszelkiego rodzaju interesujące i ważne informacje mikroskopowe. Niedawne eksperymenty pozwoliły zebrać mikroskopijne informacje dokładnie tego rodzaju, jakie ukrywa się przed cenzurą topologiczną.

Prace Douçota, Kovrizhina i Moessnera dostarczają szczegółowej teorii mikroskopowej, która wykracza poza tego rodzaju topologiczną cenzurę. Nie tylko identyfikuje nieoczekiwane zjawisko – meandrujący stan krawędziowy przenoszący topologicznie skwantowany prąd – niezgodnie z powszechnymi oczekiwaniami, ale także identyfikuje mechanizmy, które pozwalają na dostrojenie pomiędzy jakościowo różnymi implementacjami mikroskopowymi odpowiadającymi jednej i tej samej topologicznie chronionej wielkości globalnej.

Badania są opublikowany w dzienniku Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.

Wprowadzenie: Fizyka topologiczna

Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki 2016 otrzymali David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane i J. Michael Kosterlitz „za teoretyczne odkrycia topologicznych przejść fazowych i topologicznych faz materii”.

Kluczowym przewidywaniem leżącym u podstaw przyznania Nagrody Nobla było to, że w bardzo niskich temperaturach atomy i elektrony mogą tworzyć nowe egzotyczne topologiczne stany materii. Różnią się one od zwykłych stanów materii, które obejmują kryształy, gazy i ciecze.

Te nowe stany nazwano „topologicznymi”, ponieważ ich szczególne właściwości wynikają z geometrycznej struktury ich kwantowych funkcji falowych, co z kolei czyni te stany niezwykle wytrzymałymi.

Innymi słowy, aby zniszczyć te stany, należałoby „rozwinąć” węzły w ich funkcji falowej. Ta solidność leży u podstaw fenomenalnej dokładności kwantyzacji obserwowanej w kwantowym efekcie Halla, eksperymencie, który zapoczątkował tę dziedzinę w latach 80. XX wieku (Nagroda Nobla dla Klausa von Klitzinga, 1985) i który doprowadził do ponownego zdefiniowania standardu rezystancji w metrologii .

Ochrona topologiczna implikuje cenzurę topologiczną

Naukowcy byli szczególnie podekscytowani tą tak zwaną „ochroną topologiczną”, ponieważ może ona zostać wykorzystana (jak słynna teoria zaproponowana przez Aleksieja Kitajewa) w przyszłych komputerach kwantowych do ochrony informacji kwantowej przed błędami. Zaowocowało to nowymi projektami teoretycznymi komputerów kwantowych. Projekty te są obecnie badane w laboratoriach eksperymentalnych i przemyśle.

Jednakże ochrona topologiczna oznacza także „cenzurę topologiczną”. Innymi słowy, topologia zakrywa lokalne właściwości tych stanów, co utrudnia ich testowanie na głębszym poziomie za pomocą różnych sond eksperymentalnych.

To, co zwykle obserwuje się w eksperymentach, to globalne uniwersalne właściwości, takie jak skwantowany opór. Cenzura topologiczna ukrywa zatem przed obserwatorem całe klasy interesujących i potencjalnie przydatnych informacji. Można dokonać porównania z czarną dziurą, której wewnętrzne właściwości ukrywa przed nami horyzont zdarzeń.

Cenzura topologiczna jest przydatna, ponieważ gwarantuje, że nawet nadmiernie uproszczone teorie ostatecznie zapewnią topologicznie poprawne wyniki, potencjalnym kosztem mikroskopijnej poprawności dowolnego eksperymentu. Prosta taka teoria zakłada, że ​​cały prąd w kwantowym efekcie Halla przenoszony jest wyłącznie przez stany obejmujące granicę (krawędź) próbki doświadczalnej.

Rzeczywiście jest to standardowy teoretyczny obraz kwantowego efektu Halla. Obraz ten był sprawdzany w wielu eksperymentach i bardzo często potwierdzał ich obserwacje.

Jednakże nowe ekscytujące eksperymenty przeprowadzone przez grupy w Stanford i Cornell dostarczyły zaskakujących obserwacji, które podważają ten standardowy obraz. Ten ostatni odkrył, że prąd w tak zwanym izolatorze Cherna można dostroić od przepływu wzdłuż krawędzi, jak na standardowym obrazie, do znacznie silniejszego charakteru objętościowego.

To bezpośrednio podważa cenzurę topologiczną: skwantowany prąd można dostroić tak, aby płynął masowo). W gazecie w Postępowanie Narodowej Akademii Naukdzięki współpracy badaczy z MPI-PKS (Drezno) i Paryża, dostarczyło analizy, która teoretycznie uchyla zasłonę cenzury topologicznej: bardzo dobrze odtwarzają wyniki eksperymentów.

Ich praca identyfikuje mechanizmy umożliwiające transport masowy. W szczególności identyfikują meandrujący kanał przewodzący, który może przenosić skwantowany prąd masowy.

Odkryli, że „istnienie stanów, które wizualnie wyglądają jak kanał o wąskiej krawędzi [is not required]. Raczej szeroki i kręty kanał, przypominający strumień płynący po bagnistej równinie zalewowej, a nie sterylny kanał, jest przystosowany w sposób całkowicie zadowalający”.

Autorzy pracy teoretycznej piszą w swoim artykule: „Nasza praca dotyczy pytania: «Gdzie w izolatorze Cherna płynie słynny skwantowany prąd ładowania?».

„Zagadnieniu temu poświęcono wiele uwagi w kontekście kwantowego efektu Halla, ale postęp w tym zakresie został zahamowany przez brak lokalnych sond i jak dotąd nie osiągnięto konsensusu. Podstawowy problem jest następujący: ochrona topologiczna doskonale ukrywa informacja lokalna (taka jak przestrzenny rozkład prądu) – zjawisko, które nazywamy cenzurą topologiczną.

„Dwa ostatnie eksperymenty, w których wykorzystano lokalne sondy do określenia przestrzennego rozkładu prądu w heterostrukturach izolatorów Cherna (Bi, Sb)₂Te₃uzupełniły braki danych eksperymentalnych w przypadku anomalnego kwantowego efektu Halla. Eksperymenty te doprowadziły do ​​nieoczekiwanych, choć bardzo różnych wniosków. Poniżej przedstawiamy teorię wyjaśniającą jeden z tych eksperymentów.”

Wstęp: Doświadczenia na izolatorach Cherna

Izolatory Cherna zostały przewidziane w 1988 r. przez Duncana Haldane’a, jednego z laureatów Nagrody Nobla w 2016 r., i uważano je za ciekawostkę matematyczną do czasu ich eksperymentalnej realizacji w 2009 r. Co najważniejsze, nie wymagają pola magnetycznego, aby zrealizować kwantowy efekt Halla.

W nowych eksperymentach z izolatorami Cherna możliwe było wykrycie lokalnych pól magnetycznych za pomocą magnetometru SQUID i dzięki temu zmapowanie rozkładu prądu przepływającego przez próbkę. Zgodnie ze standardowym obrazem można było oczekiwać, że prąd będzie płynął ściśle wzdłuż krawędzi próbki, ale co Katja Nowack i in. znalezione było dość niezwykłe. Zaobserwowali przepływ prądu elektronowego wszędzie, w zależności od napięcia przyłożonego do układu.

Te obserwacje eksperymentalne były sprzeczne ze standardowym obrazem kwantowego efektu Halla i przez pewien czas nie było teoretycznego wyjaśnienia tego zachowania. Prace trzech teoretyków oferują takie wyjaśnienie. Ich teoria wyjaśniła rozkład przepływu prądu mierzony przez grupę Cornella, potwierdzając w ten sposób, że prąd w izolatorze Cherna rzeczywiście może płynąć wewnątrz próbki.

Ta eksperymentalna i teoretyczna praca zaczyna kłaść kres topologicznej cenzurze, która panowała przez prawie pół wieku i wzywa do nowych eksperymentalnych badań topologicznych stanów materii.