Les isolants conducteurs sur leurs bords sont prometteurs pour des applications technologiques intéressantes. Cependant, jusqu'à présent, leurs caractéristiques n'ont pas été entièrement comprises. Les physiciens de l'Université Goethe ont maintenant modélisé ce que l'on appelle les isolants topologiques à l'aide de gaz quantiques ultrafroids. Dans le numéro actuel de Lettres d'examen physique , ils démontrent comment les états de bord pourraient être détectés expérimentalement.

Imaginez un disque constitué d'un isolant avec un bord conducteur le long duquel un courant circule toujours dans le même sens. "Cela rend impossible pour une particule quantique d'être entravée, parce que l'état d'écoulement dans l'autre sens n'existe tout simplement pas, " explique Bernhard Irigler, le premier auteur de l'étude. Autrement dit :à l'état de bord, le courant circule sans résistance. Cela pourrait être utilisé, par exemple, pour augmenter la stabilité et l'efficacité énergétique des appareils mobiles. Des recherches sont également en cours sur la façon de l'utiliser pour construire des lasers plus efficaces.

Dans les années récentes, des isolants topologiques ont également été réalisés dans des gaz quantiques ultrafroids afin de mieux comprendre leur comportement. Ces gaz se produisent lorsqu'un gaz normal est refroidi à des températures comprises entre un millionième et un milliardième de degré au-dessus du zéro absolu. Cela fait des gaz quantiques ultrafroids les endroits les plus froids de l'univers. Si un gaz quantique ultrafroid est également produit dans un réseau optique fait de lumière laser, les atomes de gaz s'arrangent aussi régulièrement que dans le réseau cristallin d'un solide. Cependant, contrairement à un solide, de nombreux paramètres peuvent être modifiés, permettant d'étudier des états quantiques artificiels.

"Nous aimons l'appeler un simulateur quantique parce que ce genre de système révèle beaucoup de choses qui se déroulent dans les solides. En utilisant des gaz quantiques ultrafroids dans des réseaux optiques, nous pouvons comprendre la physique de base des isolants topologiques, " explique le co-auteur Jun-Hui Zheng.

Une différence significative entre un solide et un gaz quantique, cependant, est que les gaz en forme de nuage n'ont pas de bords définis. Alors, comment un isolant topologique dans un gaz ultrafroid décide-t-il où se trouvent ses états de bord ? Les chercheurs du groupe de recherche du professeur Walter Hofstetter à l'Institut de physique théorique de l'Université Goethe répondent à cette question dans leur étude. Ils ont modélisé une barrière artificielle entre un isolateur topologique et un isolateur normal. Cela représente le bord de l'isolant topologique le long duquel l'état de bord conducteur se forme.

"Nous démontrons que l'état de bord est caractérisé par des corrélations quantiques qui pourraient être mesurées dans une expérience utilisant un microscope à gaz quantique. Université de Harvard, Le MIT et le Max-Planck-Institute for Quantum Optics à Munich effectuent tous ce genre de mesures, " dit Hofstetter. Un microscope à gaz quantique est un instrument avec lequel des atomes individuels peuvent être détectés dans des expériences. "Pour notre travail, il est essentiel que nous prenions explicitement en compte l'interaction entre les particules du gaz quantique. Cela rend l'enquête plus réaliste, mais aussi beaucoup plus compliqué. Les calculs complexes ne pourraient pas être effectués sans un supercalculateur. L'étroite collaboration avec des scientifiques européens de premier plan dans le cadre de l'unité de recherche DFG « Champs de jauge artificiels et phases topologiques en interaction dans les atomes ultrafroids » est également d'une importance particulière pour nous, " ajoute Hofstetter.