物理学：紊乱诱导，拓扑安德森绝缘体！
艺术家描绘了一种无序诱导向拓扑安德森绝缘体阶段的过渡。沿着直线路径流动的河流被底层景观中的混乱所改变。在经历过渡（瀑布）之后，河流形成一个闭环 - 一种形状与最初直线路径的拓扑结构不同。在拓扑安德森绝缘体相中，由于晶格位置之间的隧道耦合中的无序和破坏，正常材料的平凡能带结构被转变为拓扑非平凡能带结构。拓扑安德森绝缘体阶段的匝数与不紊乱的正常情况不同。图片来源：Lachina Creative，伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的Bryce Gadway版权所有。
拓扑绝缘体（TI）拥有奇异的物理学，可以揭示自然界的基本定律。更重要的是，TI的不寻常特性为技术应用带来了巨大希望，包括量子计算，下一代微型数据存储和自旋电子学。全球的科学家们正在努力了解这些材料的微观特性，这些材料沿边缘自由导电，即使它们的体积是绝缘体。
现在伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的一组实验物理学家首次观察了由紊乱引起的特定类型的TI。Bryce Gadway教授和他的研究生Eric Meier和Alex An使用原子量子模拟，这是一种采用精细调谐的激光和超冷原子比室温低十亿倍的实验技术，模仿一维电子线的物理特性，具有精确的可调性紊乱。该系统从拓扑绝缘体范围之外的平凡拓扑开始; 添加无序使系统进入非平凡的拓扑阶段。
这种由无序引起的拓扑绝缘体被称为拓扑安德森绝缘体，以着名的理论物理学家和诺贝尔奖获得者菲利普安德森命名，他是我校园区大学实验室高中的校友。令人惊讶的是，虽然无序通常会抑制运输并破坏非平凡拓扑，但在该系统中，它有助于稳定拓扑阶段。
通过与I大学理论物理学家，光子科学研究所（ICFO）和西班牙加泰罗尼亚政治大学（UPC）的理论物理学家的密切合作，观察得以实现，他们在工作并确定了实验者应该在系统中寻找的关键签名。
刚果爱国者联盟和ICFO的理论物理学家Pietro Massignan评论说：“直观地说，人们会认为这种疾病应该反对传导。例如，在开放的地方奔跑很容易，但随着越来越密集的森林越来越难，越来越难。但这里我们表明，适当定制的障碍实际上可以触发一些特殊的导电激发，称为拓扑保护边缘模式。”
梅尔是该报的第一作者。“有趣的是，”他补充说，“在三维或二维拓扑系统中，这些边缘状态的特征是自由流动的电子。但在像我们这样的一维系统中，边缘状态只是坐在那里，在任何一端在任何TI中，边界状态都有你的系统的维数减一。在我们的一维拓扑安德森绝缘体中，边界状态基本上只是点。虽然边界物理实际上有点无聊，但是这个系统很丰富系统中与同一拓扑直接相关的动力学正在发生 - 这就是我们所研究的。“
该小组的实验观察验证了大约十年前制定的拓扑安德森绝缘子的概念。拓扑安德森绝缘体相首先由J. Li等人在理论上发现。在2009年，CW Groth等人进一步解释了其起源。同一年。五年后，一对作品，一件由A. Altland等人撰写。我和你在伊斯瓦大学的Emil Prodan小组合作的泰勒休斯小组中的一个预测了一维导线中拓扑安德森绝缘体的出现，正如在Gadway集团的新实验中所实现的那样。
伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校物理学教授Bryce Gadway（右一）和Taylor Hughes（右二）与研究生Alex An（左）和Eric Meier一起在Loomis物理实验室的Gadway实验室工作。图片来源：伊利诺伊大学厄本那 - 香槟分校的L. Brian Stauffer。
Gadway强调说：“我们对此研究的启发真的受到2014年泰勒·休斯和他的研究生Ian Mondragon-Shem在美国大学的预测的启发.Taylor是一位重要的合作者。同样，我们在西班牙的同事做出了巨大贡献引入平均手征位移的概念，允许直接在大部分材料中测量拓扑结构。”
“与泰勒合作，”Gadway补充说，“我们的西班牙同事发现，平均手征位移基本上等同于这种一维系统的拓扑不变量，称为匝数。这对于我们能够采用系统上的数据，并将我们在实验中看到的内容与系统的拓扑结构联系起来。这是一个项目，其中有一群理论家是一个很大的帮助，无论是执行正确的测量还是理解它的意义。“
“就潜在应用而言，这是令人兴奋的结果，”Gadway肯定地说。“这表明我们可以找到几乎是拓扑的真实材料，我们可以通过掺杂来操纵它们，使它们具有这些拓扑性质。这就是量子模拟比真实材料具有巨大优势的地方 - 它有利于看到物理效应非常微妙。我们的“设计师混乱”是可以控制的，在真实的材料中，无序就像听起来一样混乱 - 它是无法控制的。”
“Gadway的实验设置是理论家的梦想，”Massignan补充道。“这就像玩乐高一样：我们设想的模型可以在一个真实的实验室中逐步建立。我们想到的汉密尔顿主义的每一个元素都可以非常小心地实现，并且实时改变“。
ICFO博士后研究员Alexandre Dauphin补充说：“这个平台对于研究拓扑系统中相互作用和无序的影响也非常有前途，这可能会带来激动人心的新物理学。”
NSF项目总监Alex Cronin负责监督支持这项实验工作的资助计划。他指出了成功应用工程量子系统揭示新物理学的这项基础研究的重要性：“在我们获得全尺寸量子计算机来研究各种奇异系统之前，我们已经有像这样的量子模拟器产生结果现在。看到像这样的量子模拟器的新发现令人兴奋。“
这些结果由“ 科学 ”杂志在线发表于2018年10月11日星期四上。在将这些研究成果提交给期刊之后，本研究的研究人员从德国罗斯托克大学的另一个研究小组那里了解了同样的现象。
“他们的团队使用光子波导来模拟同类系统的物理特性，他们研究了系统边界的特性。我们使用冷原子和观察到的体积特性来获得非常清晰的拓扑可视化，”Gadway状态。“这两件作品是相互补充的，它们共同说明了如何控制各种物理系统并使其表现出同样有趣的现象。”
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