神奇不？具有導電邊緣的絕緣體

在其邊緣導電的絕緣體有望得到有趣的技術應用。然而到目前為止，人們還沒有完全了解它們的特點。在超冷量子氣體的幫助下，歌德大學的物理學家們已經建立了所謂的拓撲絕緣體模型。發表在最近一期的《物理評論快報》上，他們展示了如何通過實驗檢測邊緣狀態。想像一下，一個由絕緣體製成的圓盤，它有一個導電的邊緣，電流總是沿著這個邊緣向同一方向流動。這項研究的第一作者Bernhard Irsigler解釋說：這使得量子粒子不可能被阻擋，因為朝另一個方向流動的狀態根本不存在。換句話說，在邊緣狀態下，電流無阻力流動。例如，這可以用來提高移動設備的穩定性和能源效率。

博科園-科學科普：人們還在研究如何利用這種技術來製造效率更高的激光器。近年來，在超冷量子氣體中也產生了拓撲絕緣體，以更好地理解其行為。當正常氣體冷卻到絕對零度以上百萬分之一到十億分之一的溫度時，就會產生這些氣體。這使得超冷量子氣體成為宇宙中最冷的地方。如果超冷量子氣體也是在由激光構成的光學晶格中產生，那麼氣體原子的排列就像固體晶格中的排列一樣有規律。然而與固體不同的是，許多參數可以改變，從而允許對人工量子態進行研究。

光學晶格中的人工邊緣(藍色)，充滿由「自旋向上」粒子(紅色)和「自旋向下」粒子(綠色)組成的超冷量子氣體。沿著邊緣（只有在那裡）「自旋向上」的粒子只能流向左邊，而「自旋向下」的粒子只能流向右邊。圖片：Goethe-Universit?t Frankfurt am Main

研究人員喜歡稱它為量子模擬器，因為這種系統揭示了在固體中發生的許多事情。利用光學晶格中的超冷量子氣體，可以了解拓撲絕緣子的基本物理性質。然而，固體和量子氣體的一個顯著區別是，雲狀氣體沒有明確的邊緣。那麼，超冷氣體中的拓撲絕緣體是如何決定其邊緣狀態呢？歌德大學理論物理研究所Walter Hofstetter教授研究小組的研究人員在研究中回答了這個問題。通過模擬了拓撲隔離器和普通隔離器之間的人工屏障，這表示拓撲絕緣子的邊緣，沿其形成導電邊緣狀態。

實驗證明，邊緣狀態是通過量子關聯來表徵的，可以在實驗中使用量子氣體顯微鏡來測量。哈佛大學、麻省理工學院和慕尼黑的馬普量子光學研究所都進行了這種測量。量子氣體顯微鏡是一種在實驗中檢測單個原子的儀器。在研究工作中，明確考慮量子氣體粒子之間的相互作用是至關重要。這使得調查更加現實，但也更加複雜。沒有超級計算機就無法進行複雜的計算。在DFG研究單位「超冷原子中的人工測量場和相互作用拓撲階段」的背景下，與歐洲領先科學家的密切合作對我們也特別重要。

博科園-科學科普｜研究/來自: 法蘭克福歌德大學

參考期刊文獻:《物理評論快報》

論文DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.010406

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