物理學：紊亂誘導，拓撲安德森絕緣體！
藝術家描繪了一種無序誘導向拓撲安德森絕緣體階段的過渡。沿著直線路徑流動的河流被底層景觀中的混亂所改變。在經歷過渡（瀑布）之後，河流形成一個閉環 - 一種形狀與最初直線路徑的拓撲結構不同。在拓撲安德森絕緣體相中，由於晶格位置之間的隧道耦合中的無序和破壞，正常材料的平凡能帶結構被轉變為拓撲非平凡能帶結構。拓撲安德森絕緣體階段的匝數與不紊亂的正常情況不同。圖片來源：Lachina Creative，伊利諾伊大學厄巴納 - 香檳分校的Bryce Gadway版權所有。
拓撲絕緣體（TI）擁有奇異的物理學，可以揭示自然界的基本定律。更重要的是，TI的不尋常特性為技術應用帶來了巨大希望，包括量子計算，下一代微型數據存儲和自旋電子學。全球的科學家們正在努力瞭解這些材料的微觀特性，這些材料沿邊緣自由導電，即使它們的體積是絕緣體。
現在伊利諾伊大學厄巴納 - 香檳分校的一組實驗物理學家首次觀察了由紊亂引起的特定類型的TI。Bryce Gadway教授和他的研究生Eric Meier和Alex An使用原子量子模擬，這是一種採用精細調諧的激光和超冷原子比室溫低十億倍的實驗技術，模仿一維電子線的物理特性，具有精確的可調性紊亂。該系統從拓撲絕緣體範圍之外的平凡拓撲開始; 添加無序使系統進入非平凡的拓撲階段。
這種由無序引起的拓撲絕緣體被稱為拓撲安德森絕緣體，以著名的理論物理學家和諾貝爾獎獲得者菲利普安德森命名，他是我校園區大學實驗室高中的校友。令人驚訝的是，雖然無序通常會抑制運輸並破壞非平凡拓撲，但在該系統中，它有助於穩定拓撲階段。
通過與I大學理論物理學家，光子科學研究所（ICFO）和西班牙加泰羅尼亞政治大學（UPC）的理論物理學家的密切合作，觀察得以實現，他們在工作並確定了實驗者應該在系統中尋找的關鍵簽名。
剛果愛國者聯盟和ICFO的理論物理學家Pietro Massignan評論說：“直觀地說，人們會認為這種疾病應該反對傳導。例如，在開放的地方奔跑很容易，但隨著越來越密集的森林越來越難，越來越難。但這裡我們表明，適當定製的障礙實際上可以觸發一些特殊的導電激發，稱為拓撲保護邊緣模式。”
梅爾是該報的第一作者。“有趣的是，”他補充說，“在三維或二維拓撲系統中，這些邊緣狀態的特徵是自由流動的電子。但在像我們這樣的一維繫統中，邊緣狀態只是坐在那裡，在任何一端在任何TI中，邊界狀態都有你的系統的維數減一。在我們的一維拓撲安德森絕緣體中，邊界狀態基本上只是點。雖然邊界物理實際上有點無聊，但是這個系統很豐富系統中與同一拓撲直接相關的動力學正在發生 - 這就是我們所研究的。“
該小組的實驗觀察驗證了大約十年前制定的拓撲安德森絕緣子的概念。拓撲安德森絕緣體相首先由J. Li等人在理論上發現。在2009年，CW Groth等人進一步解釋了其起源。同一年。五年後，一對作品，一件由A. Altland等人撰寫。我和你在伊斯瓦大學的Emil Prodan小組合作的泰勒休斯小組中的一個預測了一維導線中拓撲安德森絕緣體的出現，正如在Gadway集團的新實驗中所實現的那樣。
伊利諾伊大學厄巴納香檳分校物理學教授Bryce Gadway（右一）和Taylor Hughes（右二）與研究生Alex An（左）和Eric Meier一起在Loomis物理實驗室的Gadway實驗室工作。圖片來源：伊利諾伊大學厄本那 - 香檳分校的L. Brian Stauffer。
Gadway強調說：“我們對此研究的啟發真的受到2014年泰勒·休斯和他的研究生Ian Mondragon-Shem在美國大學的預測的啟發.Taylor是一位重要的合作者。同樣，我們在西班牙的同事做出了巨大貢獻引入平均手徵位移的概念，允許直接在大部分材料中測量拓撲結構。”
“與泰勒合作，”Gadway補充說，“我們的西班牙同事發現，平均手徵位移基本上等同於這種一維繫統的拓撲不變量，稱為匝數。這對於我們能夠採用系統上的數據，並將我們在實驗中看到的內容與系統的拓撲結構聯繫起來。這是一個項目，其中有一群理論家是一個很大的幫助，無論是執行正確的測量還是理解它的意義。“
“就潛在應用而言，這是令人興奮的結果，”Gadway肯定地說。“這表明我們可以找到幾乎是拓撲的真實材料，我們可以通過摻雜來操縱它們，使它們具有這些拓撲性質。這就是量子模擬比真實材料具有巨大優勢的地方 - 它有利於看到物理效應非常微妙。我們的“設計師混亂”是可以控制的，在真實的材料中，無序就像聽起來一樣混亂 - 它是無法控制的。”
“Gadway的實驗設置是理論家的夢想，”Massignan補充道。“這就像玩樂高一樣：我們設想的模型可以在一個真實的實驗室中逐步建立。我們想到的漢密爾頓主義的每一個元素都可以非常小心地實現，並且實時改變“。
ICFO博士後研究員Alexandre Dauphin補充說：“這個平臺對於研究拓撲系統中相互作用和無序的影響也非常有前途，這可能會帶來激動人心的新物理學。”
NSF項目總監Alex Cronin負責監督支持這項實驗工作的資助計劃。他指出了成功應用工程量子系統揭示新物理學的這項基礎研究的重要性：“在我們獲得全尺寸量子計算機來研究各種奇異系統之前，我們已經有像這樣的量子模擬器產生結果現在。看到像這樣的量子模擬器的新發現令人興奮。“
這些結果由“ 科學 ”雜誌在線發表於2018年10月11日星期四上。在將這些研究成果提交給期刊之後，本研究的研究人員從德國羅斯托克大學的另一個研究小組那裡瞭解了同樣的現象。
“他們的團隊使用光子波導來模擬同類系統的物理特性，他們研究了系統邊界的特性。我們使用冷原子和觀察到的體積特性來獲得非常清晰的拓撲可視化，”Gadway狀態。“這兩件作品是相互補充的，它們共同說明了如何控制各種物理系統並使其表現出同樣有趣的現象。”
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