Предложен новый метод поиска топологических состояний

Топологические материалы вызывают большой интерес научного сообщества и могут стать основой для новой эпохи в развитии материалов. Исследователи из Австрии, Германии и США теперь предложили новый измерительный метод для выявления и характеризации так называемых топологических инвариантов на различных экспериментальных платформах. Свою работу физики опубликовали в журнале Science Advances.

Имеющиеся сегодня экспериментальные установки имеют широкий спектр возможностей для исследования сложных квантовых состояний. В основном их изучение связано с использованием ультрахолодных — ридберговских — атомов, захваченных ионов или сверхпроводящих кубитов. Особенно интересно использование в этом качестве топологических состояний материи. За их теоретическое открытие Дэвид Тулесс, Дункан Холдейн и Майкл Костерлиц были удостоены Нобелевской премии по физике в 2016 году. Эти состояния материи характеризуются нелокальными квантовыми корреляциями и особенно устойчивы к локальным искажениям, которые неизбежно возникают в экспериментальных условиях.

Примером топологического материала может быть топологический изолятор. Это материал, который внутри объема представляет собой диэлектрик, а на поверхности проводит электрический ток. Такими свойствами обладает, например, тонкая пленка теллурида ртути. Топологические изоляторы могут найти применение в квантовых компьютерах в качестве носителей информации.

Однако идентификация и характеризация топологических фаз в экспериментах является большой проблемой. Топологические фазы нельзя выявить локальными измерениями из-за их особых свойств. Поэтому исследователи разрабатывают новые методы анализа, которые позволят физикам-экспериментаторам охарактеризовать эти состояния в лабораторных условиях. В последние годы это уже было достигнуто для невзаимодействующих систем. Однако для взаимодействующих систем, которые в будущем могли бы также использоваться в качестве материалов для топологических квантовых компьютеров, это пока не представляется возможным.

Теперь физики из Инсбрукского, Мэрилендского и Мюнхенского технического университетов предложили новые протоколы, которые позволяют измерять так называемые топологические инварианты. Эти математические выражения описывают общие свойства топологических пространств и позволяют полностью идентифицировать взаимодействующие топологические состояния в одномерных бозонных системах. Специфика нового метода заключается в том, что хотя топологические инварианты являются весьма сложными, нелокальными функциями, их все же можно извлечь из статистических корреляций случайных локальных измерений. Такие измерения сегодня возможно сделать в экспериментах, что уже показали авторы новой работы в своих прошлых исследованиях.