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    La technique de simulation quantique donne l'état topologique du soliton dans le modèle SSH

    Les étudiants diplômés Eric Meier et Fangzhao Alex An sont avec Bryce Gadway (de gauche à droite) dans le laboratoire Loomis de l'Illinois. Crédit :L. Brian Stauffer, Université de l'Illinois

    Isolateurs topologiques, un excitant, classe de matériaux relativement nouvelle, sont capables de transporter de l'électricité le long du bord de la surface, tandis que la majeure partie du matériau agit comme un isolant électrique. Les applications pratiques de ces matériaux sont encore pour la plupart une question de théorie, alors que les scientifiques sondent leurs propriétés microscopiques pour mieux comprendre la physique fondamentale qui régit leur comportement particulier.

    En utilisant la simulation quantique atomique, une technique expérimentale impliquant des lasers finement réglés et des atomes ultrafroids environ un milliard de fois plus froids que la température ambiante, reproduire les propriétés d'un isolant topologique, une équipe de chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign a observé pour la première fois directement l'état limite protégé (l'état topologique du soliton) de l'isolant topologique trans-polyacétylène. Les propriétés de transport de ce polymère organique sont typiques des isolants topologiques et du modèle Su-Schrieffer-Heeger (SSH).

    Les étudiants diplômés en physique Eric Meier et Fangzhao Alex An, en collaboration avec le professeur adjoint Bryce Gadway, développé une nouvelle méthode expérimentale, une approche technique qui permet à l'équipe de sonder les phénomènes de transport quantique.

    "La simulation quantique permet des capacités uniques par rapport aux études directes du transport d'électrons dans des matériaux réels, " explique Gadway. " L'un des principaux avantages de l'utilisation d'atomes neutres est la possibilité de les manipuler à volonté grâce à l'utilisation de la lumière laser et d'autres champs électromagnétiques. En modifiant les détails de ces champs de contrôle, nous pouvons, par exemple, ajouter un désordre sur mesure pour étudier les phénomènes de localisation ou casser les symétries du système de manière contrôlée, comme par l'introduction d'un grand champ magnétique efficace. Le but ultime est d'utiliser un tel système bien contrôlé dans le régime où les particules interagissent fortement, et d'explorer de nouveaux phénomènes dont nous n'aurions pas pu prédire l'émergence sur la base du comportement d'atomes isolés."

    La nouvelle méthode de l'équipe reprend cette idée de conception de système, ou "l'ingénierie hamiltonienne, " à l'extrême, permettant aux chercheurs de contrôler chaque élément qui régit le transport des particules individuelles.

    "Cette étude particulière était importante car nous avons montré pour la première fois que nous pouvons utiliser cette méthode pour réaliser des systèmes topologiquement non triviaux, et il y a de fortes promesses pour la réalisation future de l'interaction, systèmes topologiques d'atomes. " Commente Meier. " La nôtre est la première étude de ce type à permettre la détection résolue sur site des états limites topologiques et le sondage de leur structure d'une manière sensible à la phase. " Les résultats sont publiés dans le numéro de décembre 23, édition 2016 de Communication Nature .

    Le modèle Su-Schrieffer-Heeger est le modèle de manuel d'un isolant topologique, affichant la plupart des caractéristiques saillantes associées aux systèmes topologiques - une phase topologique avec des états limites protégés et un volume de système isolant. Dans les polymères conjugués comme le polyacétylène, l'état topologique du soliton est associé à la structure dimérisée des liaisons simples et doubles alternées le long de la chaîne principale de la molécule. Des états électroniques protégés apparaissent à la frontière entre des régions d'ordre alternatif opposé, et donnent lieu à des propriétés de transport uniques, y compris une augmentation de la conductivité électrique d'environ neuf ordres de grandeur sous un léger dopage avec des impuretés.

    An explique, "Certains des aspects les plus intéressants des systèmes topologiques sont plutôt subtils ou reposent sur un réglage fin des paramètres du système. Systèmes quantiques d'ingénierie - atomes froids, simulateurs photoniques, qubits supraconducteurs, etc.—sont mieux équipés pour l'exploration de ces types de phénomènes. La raison en est qu'ils sont généralement exempts du trouble intrinsèque, à la fois le désordre matériel et les fluctuations thermiques, ce serait difficile à éviter dans un système de matière condensée conventionnel."

    La nouvelle technique de l'équipe est prometteuse pour d'autres investigations sur le comportement fondamental des systèmes topologiques. Des expériences supplémentaires sont déjà en cours, l'extension de ce travail aux systèmes de type Hall quantique à deux dimensions et l'exploration d'isolants topologiques en présence de désordre.

    "L'aspect intéressant de notre étude est que nous avons pu observer directement les états limites topologiques de ce système et les sonder de manière sensible à la phase avec des techniques de physique atomique, » résume Gadway. « De futures expériences, similaire dans la veine mais dans un système expérimental légèrement différent, pourrait permettre l'exploration de phénomènes de transport fortement corrélés inaccessibles par la simulation classique. Le plus grand objectif de notre groupe dans un avenir proche est d'observer l'influence des interactions atomiques dans un tel système. En particulier, le fait que nos atomes forment un fluide quantique en interaction leur permet de soutenir naturellement les interactions locales dans le système de modèle d'ingénierie. Nous espérons sonder l'influence de ces interactions très bientôt."

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