La symétrie joue un rôle fondamental dans la compréhension de la matière quantique complexe, notamment dans la classification des phases quantiques topologiques, qui ont suscité un grand intérêt au cours de la dernière décennie. Un exemple remarquable est l'isolant topologique invariant dans le temps, une classe de matériaux relativement nouvelle avec des propriétés électroniques particulières, qui est bien compris comme un matériau topologique protégé par symétrie (SPT).

Dans une étude récente, une équipe internationale de physiciens expérimentaux et théoriques de l'Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST) et de l'Université de Pékin (PKU) a rapporté l'observation d'une phase SPT pour des atomes ultrafroids à l'aide d'une simulation quantique atomique. Ces travaux ouvrent la voie à l'élargissement du champ de la physique SPT avec des atomes ultrafroids et à l'étude de la dynamique quantique hors équilibre dans ces systèmes exotiques.

Leurs conclusions ont été publiées dans la revue Avancées scientifiques le 23 février 2018.

Les formes des objets peuvent être classées en fonction de la topologie. Une phase exotique de la matière quantique peut être comprise avec la topologie et la symétrie sous-jacentes dans les matériaux physiques. L'équipe a créé un cristal synthétique pour les atomes ultrafroids et émule pour la première fois les propriétés clés d'un matériau topologique unidimensionnel (1-D) au-delà de la condition naturelle. Les atomes ultrafroids sont 1 milliard de fois plus dilués que les solides, mais permettent l'étude de la physique complexe car ils sont extrêmement vierges et contrôlables.

La classification des phases quantiques topologiques a conduit à une notion fondamentale de phases SPT, qui sont des états exotiques sous la protection des symétries, et élargir considérablement notre compréhension de la nature fondamentale de la matière quantique. Néanmoins, de loin, seule une petite partie des phases SPT théoriquement prédites a été découverte dans des matériaux à l'état solide, principalement en raison de l'environnement compliqué et incontrôlable des matériaux à l'état solide qui pose de grands défis dans la réalisation.

"Nos travaux prédisaient en théorie un nouveau type de phase SPT, ce qui est au-delà de la classification traditionnelle basée sur des manières décuplées, et observé expérimentalement un tel état exotique dans un cristal synthétique fabriqué avec des atomes ultrafroids, " a déclaré Xiong-Jun Liu, professeur assistant à l'Université de Pékin et co-auteur de l'article. "Ce travail est en effet la première réalisation expérimentale d'une phase SPT pour atomes ultrafroids, qui ouvre de nombreuses possibilités pour simuler et sonder une nouvelle physique SPT, " a ajouté le professeur Liu.

Ce travail porte en effet la simulation quantique de la matière topologique à un niveau supérieur, ce qui peut conduire à des avancées spectaculaires en science des matériaux et en technologie quantique.

"De plus, grâce aux avantages de la contrôlabilité totale, nous nous attendons à ce que le présent travail fasse avancer les études futures dans les expériences d'atomes ultrafroids des phases SPT en interaction, qui sont largement discutés en théorie mais très difficiles à étudier dans les matériaux à l'état solide, " a expliqué Gyu-Booong Jo, professeur assistant au département de physique HKUST et co-auteur de l'article.