物理學：量子模擬，揭示出低維無序景觀中的移動邊緣！
伊利諾伊大學物理學教授Bryce Gadway（右）和研究生Fangzhao Alex An在伊利諾伊州厄巴納的Loomis物理實驗室建立了量子模擬實驗。圖片來源：伊利諾伊大學厄本那 - 香檳分校的L. Brian Stauffer。
最近大量關於石墨烯或碳納米管等低維（2-D或1D）材料中電子傳輸的研究獎學金反映了這些材料的巨大潛力，這些材料揭示了對有時令人驚訝的電子新興行為的規律的深入理解。 。科學家們探索了這些新材料，以揭示拓撲超導和拓撲絕緣體的物理特性。但研究人員在研究真實材料時面臨的最大挑戰之一是存在影響電子傳輸的不受控制的雜質。解決這個骯髒的無序問題的一種方法是研究沒有自然缺陷的人造材料中的相同類型的物理現象。近幾十年來，研究人員使用中性原子在激光形成的原始晶體中移動，進行量子模擬，觀察在真實電子材料中難以看到的物理效應。
現在，伊利諾伊大學厄巴納 - 香檳分校的科學家使用創新的量子模擬技術，首次觀察了低維繫統中的遷移邊緣。物理學教授Bryce Gadway和研究生Fangzhao Alex An能夠將無序的虛擬材料 - 在這種情況下是一對耦合的1D鏈 - 與人造磁場相結合來探索這種現象。
一個解釋說，“我們設計的人造磁場使我們實驗中的中性原子在極大的磁場中表現得像電子，相當於應用了數百個特斯拉級磁體。我們能夠改變人造磁場的強度到調整原子的屬性並強烈修改觀察到的移動邊緣。”
合成晶格中激發態密度分佈的圖像，用於增加磁通量?（從左到右增加）。圖片來源：FA An，伊利諾伊大學厄巴納 - 香檳分校。
那麼移動性優勢到底是什麼？它是一種依賴於能量的絕緣體到導體的過渡，發生在無序系統中 - 一種金屬傳輸方式，由一種稱為Anderson絕緣體的特殊絕緣體產生。只有兩組在3-D中觀察到了移動性優勢，第一組是2011年U物理學教授Brian DeMarco的研究小組。重要的是，這種現象是由無序引起的，並且根據本地化物理定律，移動性邊緣，更不用說任何金屬行為，不應該出現在二維或一維材料中。
Gadway評論說：“這種觀察確實值得注意 - 這種行為不應該發生在具有隨機障礙的低維繫統中。在一維或二維中實現它依賴於一種偽隨機障礙是微妙的。我們設計的混亂中的相關性。事實證明，這可以允許金屬 - 絕緣體轉變。“
Gadway繼續說道，“我們使用的相關無序類型具有一些非常有趣的特性。特別是，有一個微妙的數學論證表明它所允許的金屬 - 絕緣體轉變完全獨立於能量。事實證明，你必須做一些額外的事情，以便產生移動性邊緣。在我們的例子中，額外的成分是產生大磁場。”
在這項研究中，科學家們還證明了在沒有人造磁場的情況下發生更有趣的移動邊緣的證據。第二種類型的遷移率邊緣是由於原子 - 原子相互作用而產生的，這導致高能態表現得像金屬一樣強烈，低能態表現得更像絕緣體。這些結果於2018年8月18日發表在Physical Review X上，為研究開闢了新的方向。
“向前看，”Gadway總結道，“這項工作的下一個擴展將是探索真正的二維繫統中的無序和大磁場的相互作用，而不僅僅是兩個耦合鏈。這將建立在我們一直在做的工作上關於1D中的無序拓撲絕緣體，將其擴展到2-D中無序量子霍爾系統的情況。”
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