Des physiciens de l'Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST) et de l'Université de Pékin (PKU) ont créé avec succès la première simulation 3D au monde de matière topologique constituée d'atomes ultrafroids. Les tentatives précédentes de simulations topologiques de la matière étaient limitées à des dimensions inférieures, en raison des défis sur la façon de caractériser la topologie de la bande 3-D dans les systèmes atomiques. Cette percée ouvre la voie à un examen plus approfondi de la nouvelle matière topologique qui ne peut pas être bien réalisée dans les solides. Une telle ingénierie jamais réalisée auparavant de matériaux artificiels avec des atomes ultrafroids peut maintenant permettre aux physiciens de modéliser des phases inhabituelles de la matière.

le professeur Gyu-Boong Jo, Professeur agrégé du département de physique de HKUST a collaboré avec le professeur Xiong-Jun Liu, Professeur de l'École de physique de la PKU et a conçu une structure en treillis cristallin artificiel, précédemment proposé par le groupe PKU, pour modéliser des atomes ultrafroids préparés à 30 milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Cette nouvelle matière quantique synthétique est un semi-métal topologique tridimensionnel couplé spin-orbite à lignes nodales, et présente une symétrie de groupe magnétique émergente. Les chercheurs ont corrélé le spin de l'atome avec la direction du mouvement atomique, ce qui rend le comportement global de l'atome topologique. Avec une telle symétrie, les chercheurs ont prouvé que la topologie de la bande 3D peut être résolue en imageant uniquement des motifs de spin 2D sur les plans symétriques, et en outre observé avec succès le semi-métal topologique 3-D dans l'expérience. Les techniques de détection utilisées ici peuvent être généralement appliquées à l'exploration de tous les états topologiques 3-D de symétries similaires lorsque ceux-ci deviennent disponibles.

La recherche a été récemment publiée en ligne dans Physique de la nature le 29 juillet, 2019.

La matière topologique complexe est devenue l'objet de la recherche industrielle et universitaire, car elle est considérée comme un moyen d'ouvrir la voie à une informatique quantique moins bruyante et plus robuste. Les ordinateurs quantiques physiques d'aujourd'hui sont encore bruyants, et la correction d'erreur quantique est un domaine de recherche en pleine expansion. L'objectif de l'informatique quantique tolérante aux pannes a conduit à investir dans une matière topologique complexe.

La matière topologique est classée par les propriétés géométriques de l'état quantique dans la matière. La nature topologique du matériau signifie qu'il a tendance à résister aux imperfections d'un système d'exploitation et détient également le potentiel pour d'autres propriétés exotiques encore inconnues.

"Notre travail ouvre de nombreuses possibilités pour développer de nouveaux matériaux topologiques qui n'existent pas naturellement, " a déclaré le professeur Jo. " Ce développement démontre qu'il existe une nouvelle possibilité d'explorer des matériaux topologiques complexes en 3D, et fournira une plate-forme utile pour la simulation quantique."

"C'est une avancée décisive pour la simulation quantique avec des atomes ultrafroids, " a déclaré le professeur Liu. " Il permet l'investigation expérimentale et l'observation de phases non triviales de toutes les dimensions physiques, y compris divers isolants, semi-métal, et des phases superfluides avec une topologie non triviale dans des atomes ultrafroids.