«Мы работаем с атомами в лазерных лучах, потому что это дает нам систему, которой можно лучше управлять и которой легче наблюдать, чем сам материал», – объясняет Грегор Йотцу, докторант кафедры физики. Поскольку исследователи сосредоточены в первую очередь на понимании квантово-механических взаимодействий, они описывают свою систему как квантовый симулятор.
Благодаря такой схеме испытаний теперь стало возможным реализовать идею, впервые опубликованную британским физиком Дунканом Холдейном в 1988 году. Физики твердого тела надеялись, что смогут создать модель Холдейна с реальным графеном – до сих пор тщетно, говорит Эсслингер: «Теперь мы сделали это с другой системой.
Это красивый и важный новый шаг."
Нарушение симметрии обращения времени
Холдейн предположил, что возможно создать совершенно новый класс материалов с исключительными свойствами, определяемыми их топологией. Математически объекты имеют одинаковую топологию, если они могут быть преобразованы друг в друга непрерывными деформациями, такими как сжатие или растяжение.
Например, апельсин можно деформировать в банан. Если преобразование требует разреза, то два объекта топологически различны; например, лента Мебиуса не может быть преобразована в обычную полосу без предварительного разрезания, а затем повторной сборки.
В модели Холдейна система больше не имеет ту же топологию, что и обычные материалы. Для реализации этой системы требуется особый «ингредиент», и физики говорят о нарушении симметрии: нарушается симметрия относительно обращения времени. Это означает, что система ведет себя иначе, когда время идет в обратном направлении.
Обычно физическая система выглядит одинаково независимо от того, движется время вперед или назад; то есть этого нарушения симметрии не происходит. Теоретически это можно реализовать в реальных материалах с помощью магнитных полей. Однако магниты должны быть меньше и располагаться более точно, чем расстояние между атомами в твердом теле – менее примерно 0.1 нм.
«Частицы испытывают искаженный мир»
Используя квантовый симулятор, исследователи могут нарушить симметрию обращения времени с помощью относительно простого трюка, о чем они только что сообщили в журнале Nature. «Мы встряхиваем всю систему круговыми движениями», – говорит Йотцу. Исследователи поместили небольшие пьезоэлектрические кристаллы на зеркала, которые отражают лазерный свет, а затем позволили им вибрировать. «Это даже слышно, примерно как высокий тон флейты», – говорит физик. При правильной частоте и амплитуде атомы не выпадают из решетки лазера, как можно было бы ожидать, а вместо этого остаются в ловушке.
Когда исследователи перемещали систему вперед и назад по прямой, атомы по-прежнему вели себя нормально.
Но когда они встряхиваются круговым движением, «частицы испытывают искривленный мир», объясняет Эсслингер, точно так же, как движение на ленте Мебиуса будет отличаться от обычного. Топология и, следовательно, свойства системы изменились, как если бы она стала совершенно другим и новым материалом.
Тестирование того, чего еще не существует
По словам профессора ETH, было неожиданностью, что они смогли экспериментально реализовать топологическую модель Холдейна; эксперимент был «как стрельба от бедра."Исследователи достойно отметили свой успех правильным напитком – взбалтывать, а не перемешивать.
Но Эсслингер предостерегает от поспешных выводов: «Мы не создаем новые материалы. Мы только что протестировали концепт."В этом контексте эксперименты с лазерами и ультрахолодными атомами могут быть лучше компьютерного моделирования, когда система слишком сложна для расчетов. «Это позволяет нам исследовать свойства материалов, которые еще даже не существуют», – говорит Йотцу.
До сих пор неясно, смогут ли результаты, полученные с помощью квантового симулятора, однажды быть перенесены на реальные материалы. Но уже есть идеи: если свет с круговой поляризацией можно направить на настоящий графен, он может иметь такой же эффект, как и сотрясение искусственного графена при круговом движении.
По словам Эсслингера, это предложили двое приехавших японских коллег. Таким образом, можно, например, сделать изолятор из проводящего материала с помощью света – и наоборот.
Электронные приложения такой системы, которые могли бы реагировать чрезвычайно быстро, могли бы быть самыми разнообразными.