Обнаружена топологическая фаза в спиновых цепочках
В некоторых материалах существуют фазы, переход между которыми невозможен, поскольку они защищены определенной формой симметрии. Физики называют их топологическими фазами. Одним из примеров этого является фаза Холдейна, названная в честь лауреата Нобелевской премии по физике 2016 года Дункана Холдейна, которая возникает в антиферромагнитных цепях со спином 1. Группе исследователей из MPQ удалось реализовать это экзотическое состояние материи в простой системе ультрахолодных атомов. С помощью квантового газового микроскопа они привели атомные спины в нужную форму, измерили свойства системы и таким образом обнаружили скрытый внутренний порядок, характерный для фазы Холдейна. Их результаты опубликованы в Nature.
Доктор Пимонпан Сомпет (первый автор статьи) выравнивает полость генерации второй гармоники. Исследователи используют производимый здесь ультрафиолетовый свет для охлаждения атомов лития в эксперименте. 1 кредит
Любая материя находится в разных фазах, которые могут переходить одна в другую. Примером этого является вода, которая существует в жидкой форме, в виде льда или пара — в зависимости от внешних условий. Различные физические фазы имеют одинаковый химический состав, но разную степень внутренней упорядоченности. Если температура или давление меняются, например, вода переходит в другую фазу в определенный момент. Однако в некоторых материалах есть фазы, переход между которыми невозможен, поскольку они защищены определенной формой симметрии — свойством системы, которое при этом остается неизменным, например, при отражении или вращении. Только при нарушении симметрии возможен фазовый переход. Физики называют это топологическими фазами., чьи исследования в последние годы привели к более глубокому пониманию структуры квантовых систем.
Измерение фазы Холдейна
На сегодняшний день такие свойства были доступны почти только в теоретических моделях и расчетах или посредством косвенных измерений твердых тел. Но теперь группе исследователей из Института квантовой оптики Макса Планка (MPQ) в Гархинге удалось создать в лаборатории особый, образцовый тип топологической фазы и проанализировать ее экспериментально. Ученые из отдела квантовых систем многих тел MPQ под руководством профессора доктора Иммануэля Блоха и доктора Тимона Хилкера создали так называемую фазу Холдейна. Он назван в честь британского физика Дункана Холдейна, который впервые описал топологические фазы квантовых систем и получил за это Нобелевскую премию по физике в 2016 году вместе с двумя другими исследователями.
Холдейн обратил внимание, среди прочего, на возможность существования топологической фазы в цепочке антиферромагнитных частиц со спином 1. Спин — это квантово-механическое свойство частиц, таких как электроны или атомы, которое можно просто интерпретировать как угловой момент частицы, когда она вращается вокруг своей оси. В антиферромагнитном материале спины предпочитают, чтобы другие спины имели другое направление вращения в непосредственной близости от них.
Это может приводить к периодическому упорядочению спинов, которое, однако, невидимо в системах со спином 1 в классических измерениях. Теоретическое предсказание говорило, что порядок все-таки есть, но он «скрыт». Чтобы обнаружить его, все спины должны быть измерены по отдельности и одновременно, что невозможно в твердых телах. Но исследователи из MPQ использовали искусственные материалы, в которых спины разнесены гораздо дальше друг от друга. При этом они создали цепь со спином 1 с характеристиками, описанными Холдейном.
Трюк со спиновыми парами
Иллюстрация основных понятий в статье: слева иллюстрация используемого потенциала решетки, справа примерный снимок одиночной лестницы с 14 отдельными атомами, видимыми зеленым цветом. Ниже приведено схематическое объяснение того, как геометрия лестницы отображается на цепь со спином 1. Висячие ребра показаны серым цветом. Предоставлено: Общество Макса Планка.
«До сих пор это было трудно осознать, — говорит Сара Хирте. Вот почему доктор философии. Кандидат в MPQ вместе со своим коллегой Домиником Бургундом и другими членами команды Garching прибегла к хитрости: «Мы создали цепочку спина 1 косвенным путем, построив ее из спинов со значением ½, из которых мы добавили по два», — объясняет Бургунд. Таким образом создавались клетки с целочисленным спином, которые выстраивались в цепочку.
Чтобы реализовать эту особую структуру, команда использовала так называемый квантовый газовый микроскоп. Такой прибор можно использовать, например, для изучения магнитных свойств отдельных атомов, предварительно расположенных определенным образом. Поэтому ученые также говорят о квантовом симуляторе, с помощью которого материя искусственно создается из ее элементарных строительных блоков. «Для этого мы используем стоячие волны лазерного света, которые образуют своего рода решетку для атомов», — объясняет Сара Хирте. Эта решетка затем принимает желаемую форму с помощью дополнительных лазеров и бесчисленных крошечных подвижных зеркал.
«Для экспериментов с топологической фазой Холдейна мы поместили атомы в такую двумерную оптическую решетку», — сообщает физик. «В вакууме и при температуре, близкой к абсолютному нулю, атомы располагались точно так, как диктует свет». Исследователи выбрали решетчатую структуру, которая придала атомам вместе с их спинами форму лестницы с двумя «ногами» и «перекладинами» между ними. «Каждая ступенька этих так называемых лестниц Ферми-Хаббарда соединяла два атомных спина, образуя элементарные ячейки со спином 1», — объясняет Доминик Бургунд. «В этой схеме мы использовали концепцию, известную в теоретической физике как модель AKLT».
Атомная лестница со «свисающими» краями спинов
«Изюминкой эксперимента было то, что мы специально подогнали края системы», — говорит Хирте: две ножки квантовой лестницы были смещены друг от друга на один атом. Таким образом, полуцелые спины атомов могут быть объединены по диагонали, образуя элементарные ячейки. Следствие такой формы: отдельные спины без прямого партнера «болтаются» на обоих концах системы — на техническом жаргоне это называется краевыми состояниями. «Такие спины и их магнитные моменты могут принимать различную ориентацию без каких-либо дополнительных затрат энергии», — объясняет Доминик Бургунд. Таким образом, они придают системе характерные свойства, основанные на особой симметрии — типичных признаках фазы Холдейна. Для сравнения, исследователи Макса Планка также создали «тривиальную» топологическую фазу без краевых состояний.
Чтобы проанализировать характеристики двух фаз, ученые измерили намагниченность как отдельных спинов, так и всей системы всех атомов вдоль ментальной струны под квантовым газовым микроскопом. Только так можно было найти предсказанный «скрытый» внутренний порядок. «Наши результаты подтверждают ожидаемые топологические свойства как всей системы, так и граничных состояний», — отмечает Тимон Хилкер, руководитель проекта. «Это показывает: мы сделали сложную структуру доступной для измерений с помощью простой системы».
Надежная основа для квантовых вычислений?
Своими результатами исследователи Макса Планка не только заложили основу для экспериментальной проверки теоретических предсказаний о топологических фазах. Их новые открытия также могут найти практическое применение в будущем — в квантовых компьютерах. Их функция основана на «кубитах», фундаментальных вычислительных единицах в форме квантовых состояний. Недостатком технической реализации пока является их низкая стабильность: если кубиты теряют свою ценность, данные тоже теряются. Если бы они могли быть представлены топологическими фазами, которые достаточно устойчивы к внешним помехам из-за их тесной связи с фундаментальной симметрией, это могло бы значительно упростить вычисления с помощью квантового компьютера.
