La symétrie est une caractéristique fondamentale de la nature. Comprendre les mécanismes qui brisent les symétries est essentiel à la recherche scientifique. brisure spontanée de symétrie (SSB), en particulier, se produit lorsque des fluctuations thermiques ou quantiques font passer un système d'un état symétrique à un état ordonné, comme cela se produit lorsqu'un liquide se transforme en solide. Ce mécanisme permet aux chercheurs de classer différentes phases de la matière selon les différents motifs générés par la symétrie brisée.

Au cours des dernières décennies, la topologie a également été reconnue comme une caractéristique cruciale pour décrire comment la matière est organisée au niveau fondamental. Dans ce cas, ce n'est plus la rupture de certaines symétries, mais leur conservation, qui donne naissance à de nouveaux états de la matière, les phases topologiques dites à symétrie protégée (SPT). Différentes phases topologiques peuvent présenter les mêmes symétries, mais ils peuvent être distingués par un invariant topologique global, qui prend des valeurs entières et est conservée sous déformations continues.

Les recherches actuelles en physique de la matière condensée visent à comprendre comment la brisure de symétrie et la protection de la symétrie entrent en concurrence, en particulier en présence d'interactions. Dans un article récent publié dans Communication Nature , Les chercheurs de l'ICFO Daniel Gonzalez et Przemyslaw Grzybowski, dirigé par Alexandre Dauphin et ICREA Prof. à ICFO Maciej Lewenstein, en collaboration avec Alejandro Bermudez de l'Universidad Complutense de Madrid, rapportent comment ces deux processus coopèrent, donnant lieu à de nouveaux effets topologiques fortement corrélés.

Dans leur étude, les chercheurs ont démontré comment, en présence d'interactions fortes, une symétrie protectrice émerge aux basses énergies de l'ensemble des configurations contraintes par la brisure d'une symétrie différente. Cette symétrie émergente stabilise une phase topologique entrelacée, où les propriétés topologiques coexistent avec la présence d'un ordre à longue distance. De plus, ils montrent comment cette interaction donne lieu à des effets statiques et dynamiques intéressants, tel qu'un transport de particules topologiquement protégé quantifié à des valeurs fractionnaires. Pour ça, ils étudient un modèle de réseau microscopique, le modèle Z2-Bose-Hubbard, qui peut être mis en œuvre expérimentalement à l'aide de systèmes atomiques ultrafroids.

Les résultats de cette étude ouvrent une fenêtre dans le domaine des phases topologiques dans les matériaux, ouvrant la voie à une exploration plus approfondie de caractéristiques topologiques exotiques dans des systèmes quantiques fortement corrélés.