拓?fù)浣^緣體是一種令人興奮的，相對較新的材料，能夠沿著表面邊緣傳輸電力，而大部分材料充當(dāng)電絕緣體。這些材料的實際應(yīng)用仍然主要是理論問題，因為科學(xué)家探索其微觀特性以更好地理解控制其特殊行為的基本物理學(xué)。

伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校的一組研究人員使用原子量子模擬，一種涉及精細(xì)調(diào)諧的激光和超冷原子的實驗技術(shù)，復(fù)制了拓?fù)浣^緣體的特性，以復(fù)制拓?fù)浣^緣體的特性。第一次是拓?fù)浣^緣體反式聚乙炔的受保護邊界態(tài)（拓?fù)涔伦討B(tài)）。該有機聚合物的傳輸性質(zhì)是拓?fù)浣^緣體和Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型的典型特征。物理學(xué)研究生Eric Meier和Fangzhao Alex An與助理教授Bryce Gadway合作開發(fā)了一種新的實驗方法，這種方法可以讓團隊探索量子傳輸現(xiàn)象。

“與真實材料中電子傳輸?shù)闹苯友芯肯啾?，量子模擬具有一些獨特的功能，”Gadway解釋道。“使用中性原子的一個主要優(yōu)點是能夠通過使用激光和其他電磁場隨意操縱它們。通過改變這些控制場的細(xì)節(jié)，我們可以，例如，添加定制的無序來研究定位現(xiàn)象或以受控的方式破壞系統(tǒng)的對稱性，例如通過引入大的有效磁場。最終的目標(biāo)是在粒子相互作用強烈的情況下使用這種良好控制的系統(tǒng)，并探索出現(xiàn)我們不會出現(xiàn)的新現(xiàn)象已經(jīng)能夠根據(jù)單個原子的行為進行預(yù)測?！?/p>

該團隊的新方法將系統(tǒng)設(shè)計或“漢密爾頓工程”這一理念發(fā)揮到極致，使研究人員能夠控制控制單個粒子傳輸?shù)拿恳粋€元素。

“這項特殊的研究非常重要，因為我們首次表明我們可以使用這種方法來實現(xiàn)拓?fù)浞瞧椒蚕到y(tǒng)，并且未來實現(xiàn)原子的相互作用拓?fù)湎到y(tǒng)具有很大的希望?！?梅爾評論?！拔覀兊牡谝豁椦芯渴窃试S以拓?fù)溥吔鐮顟B(tài)進行位點分辨檢測，并以相敏方式探測其結(jié)構(gòu)?！?結(jié)果發(fā)表于2016年12月23日的Nature Communications期刊。

Su-Schrieffer-Heeger模型是拓?fù)浣^緣體的教科書模型，顯示了與拓?fù)湎到y(tǒng)相關(guān)的大部分顯著特征 - 具有受保護邊界狀態(tài)和絕緣系統(tǒng)體積的拓?fù)湎?。在諸如聚乙炔的共軛聚合物中，拓?fù)涔伦討B(tài)與沿著分子主鏈的交替的單鍵和雙鍵的二聚結(jié)構(gòu)相關(guān)。受保護的電子態(tài)出現(xiàn)在具有相反交替順序的區(qū)域之間的邊界處，并且產(chǎn)生一些獨特的傳輸性質(zhì)，包括在輕摻雜雜質(zhì)的情況下電導(dǎo)率增加約九個數(shù)量級。

一個解釋說，“拓?fù)湎到y(tǒng)的一些最有趣的方面是相當(dāng)微妙的或依賴于系統(tǒng)參數(shù)的微調(diào)。工程量子系統(tǒng) - 冷原子，光子模擬器，超導(dǎo)量子比特等 - 更好地用于探索這些類型的現(xiàn)象。其原因在于它們通常沒有傳統(tǒng)凝聚態(tài)物質(zhì)系統(tǒng)難以避免的內(nèi)在無序，包括物質(zhì)無序和熱波動。

該團隊的新技術(shù)有望進一步研究拓?fù)湎到y(tǒng)的基本行為。其他實驗已在進行中，將這項工作擴展到二維量子霍爾型系統(tǒng)，并在存在無序的情況下探索拓?fù)浣^緣體。

“我們研究的有趣方面是我們能夠直接觀察到該系統(tǒng)的拓?fù)溥吔鐮顟B(tài)，并用原子物理技術(shù)以相位敏感的方式探測它們，”Gadway總結(jié)道。“未來的實驗，類似于靜脈，但在略有不同的實驗系統(tǒng)中，可以探索經(jīng)典模擬無法獲得的強相關(guān)傳輸現(xiàn)象。我們小組在不久的將來的最大目標(biāo)是觀察原子相互作用在這種情況下的影響。特別是，我們的原子形成相互作用的量子流體這一事實使它們能夠自然地支持工程模型系統(tǒng)中的局部相互作用。我們希望很快能夠探測這些相互作用的影響。”