量子模拟技术在SSH模型中产生拓扑孤子态

拓扑绝缘体是一种令人兴奋的，相对较新的材料，能够沿着表面边缘传输电力，而大部分材料充当电绝缘体。这些材料的实际应用仍然主要是理论问题，因为科学家探索其微观特性以更好地理解控制其特殊行为的基本物理学。

伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的一组研究人员使用原子量子模拟，一种涉及精细调谐的激光和超冷原子的实验技术，复制了拓扑绝缘体的特性，以复制拓扑绝缘体的特性。第一次是拓扑绝缘体反式聚乙炔的受保护边界态（拓扑孤子态）。该有机聚合物的传输性质是拓扑绝缘体和Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型的典型特征。物理学研究生Eric Meier和Fangzhao Alex An与助理教授Bryce Gadway合作开发了一种新的实验方法，这种方法可以让团队探索量子传输现象。

“与真实材料中电子传输的直接研究相比，量子模拟具有一些独特的功能，”Gadway解释道。“使用中性原子的一个主要优点是能够通过使用激光和其他电磁场随意操纵它们。通过改变这些控制场的细节，我们可以，例如，添加定制的无序来研究定位现象或以受控的方式破坏系统的对称性，例如通过引入大的有效磁场。最终的目标是在粒子相互作用强烈的情况下使用这种良好控制的系统，并探索出现我们不会出现的新现象已经能够根据单个原子的行为进行预测。”

该团队的新方法将系统设计或“汉密尔顿工程”这一理念发挥到极致，使研究人员能够控制控制单个粒子传输的每一个元素。

“这项特殊的研究非常重要，因为我们首次表明我们可以使用这种方法来实现拓扑非平凡系统，并且未来实现原子的相互作用拓扑系统具有很大的希望。” 梅尔评论。“我们的第一项研究是允许以拓扑边界状态进行位点分辨检测，并以相敏方式探测其结构。” 结果发表于2016年12月23日的Nature Communications期刊。

Su-Schrieffer-Heeger模型是拓扑绝缘体的教科书模型，显示了与拓扑系统相关的大部分显着特征 - 具有受保护边界状态和绝缘系统体积的拓扑相。在诸如聚乙炔的共轭聚合物中，拓扑孤子态与沿着分子主链的交替的单键和双键的二聚结构相关。受保护的电子态出现在具有相反交替顺序的区域之间的边界处，并且产生一些独特的传输性质，包括在轻掺杂杂质的情况下电导率增加约九个数量级。

一个解释说，“拓扑系统的一些最有趣的方面是相当微妙的或依赖于系统参数的微调。工程量子系统 - 冷原子，光子模拟器，超导量子比特等 - 更好地用于探索这些类型的现象。其原因在于它们通常没有传统凝聚态物质系统难以避免的内在无序，包括物质无序和热波动。

该团队的新技术有望进一步研究拓扑系统的基本行为。其他实验已在进行中，将这项工作扩展到二维量子霍尔型系统，并在存在无序的情况下探索拓扑绝缘体。

“我们研究的有趣方面是我们能够直接观察到该系统的拓扑边界状态，并用原子物理技术以相位敏感的方式探测它们，”Gadway总结道。“未来的实验，类似于静脉，但在略有不同的实验系统中，可以探索经典模拟无法获得的强相关传输现象。我们小组在不久的将来的最大目标是观察原子相互作用在这种情况下的影响。特别是，我们的原子形成相互作用的量子流体这一事实使它们能够自然地支持工程模型系统中的局部相互作用。我们希望很快能够探测这些相互作用的影响。”