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Quantum Entanglement and Topological Phases of Matter

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Die Topologie von Dämmstoffen

Die topologischen Phasen von Materie sind für ihre mathematische Beschreibung sowie für die einber Vielzahl von physikalischen Phänomenen von Bedeutung. Die jüngste Entdeckung von topologischen Isolatoren spornte EU-finanzierte Forscher an, sich mit der Frage zu befassen, wie neue topologische Phasen der Materie entstehen und wie sie eingestuft werden können.

Industrielle Technologien

Topologische Isolatoren sind Materialien, die in der Masse elektrische Isolatoren sind, auf ihrer Oberfläche aber Strom leiten - eine Eigenschaft, die bei herkömmlichen Isolatoren nicht zu finden ist. Die zwei verschiedenen Phasen von Materie existieren in schweren Elementen wie Wismut und Antimon und liefern den Schlüssel für zukünftige Anwendungen in Spintronik und Elektronik. Die meisten Analysen dieser Materialien basieren auf sehr vereinfachten Modellen, in denen Elektronen im Inneren des Feststoffs so behandelt wurden, als würden sie nicht miteinander interagieren. Die Forscher des Projekts QETPM ("Quantum entanglement and topological phases of matter") führten eine detailliertere Analyse durch. Die interne Struktur von topologischen Isolatoren wurde durch ein System von quantenwechselwirkenden Teilchen auf einem Gitter in der Gegenwart von Magnetfeldern simuliert. Solche Systeme werden experimentell mit ultrakalten Atomen realisiert, aber für die QETPM-Forscher boten sie die am besten geeignete theoretische Beschreibung von topologischen Isolatoren. Sie führten theoretische Experimente durch, um eine Beziehung zwischen den Grundzuständen dieses sogenannten Hofstadters-Problems und topologischen Isolatoren herzustellen. Das Team prüfte außerdem, ob die gleichen Regeln, die die Bildung von Quanten-Hall-Zuständen für mehrere interagierende Gittersysteme bestimmen, auch für Systeme gekoppelter Supraleiter gelten. Bei sehr niedrigen Temperaturen und in Gegenwart eines starken Magnetfeldes weisen Dünnfilme aus halbleitenden Materialien das als Quanten-Hall-Effekt bekannte Phänomen auf. Der gleiche Zustand, in dem Elektronen ohne Energieverlust fließen, kann auch in den neu entdeckten topologischen Isolatoren erreicht werden. Die QETPM-Forscher fanden eine Vielzahl von Quanten-Hall-Zuständen, die in Gittersystemen mit unterschiedlichen Inter- und Intraschicht-Wechselwirkungen gebildet werden. Zusätzlich leiteten sie die Anregungsspektren dieser Mehrschichtsysteme und Vorhersagen für neue topologische Ordnungen ab. Es stellte sich heraus, dass die verschiedenen Phasen der Materie durch ihre internen Strukturen unterschieden werden, von den Wissenschaftlern als Ordnungen bezeichnet. Die neuen im QETPM-Projekt gefundenen topologischen Ordnungen sollen unser Verständnis der bekannten Phasen der Materie erweitern und vertiefen. Ebenso können sie uns zur Entdeckung neuer Phasen der Materie führen und genau erklären, wie ein normales Material ein topologischer Isolator werden kann.

Schlüsselbegriffe

topologische Isolatoren, Phasen der Materie, elektrische Isolatoren, Spintronik, Quantenverschränkung

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21 Oktober 2020