Nuevas propiedades topológicas de la materia emergen a partir un sistema ultra frió de átomos-cavidad

La topología es un campo de las matemáticas que estudia las propiedades de los objetos geométricos que se conservan bajo deformaciones continuas. En física, la topología proporciona un marco para comprender las propiedades clave de los sistemas físicos, lo que ha llevado al descubrimiento de nuevos materiales con propiedades únicas.

Desde el descubrimiento de los materiales topológicos, que se distinguen por sus propiedades no locales únicas, la topología se ha convertido en un área central de investigación tanto en física fundamental como aplicada. En los últimos años, se han logrado avances considerables en la extensión del paradigma existente de las fases de la materia para incluir la noción de topología y su relación con las simetrías subyacentes de los sistemas cuánticos. Esto resultó en una clasificación exhaustiva de los sistemas topológicos de interacción-npn. Sin embargo, todavía hay muchos ejemplos de fases topológicas no convencionales que se escapan del paradigma actual, presentando retos y preguntas que exigen nuevas perspectivas, puntos de vista y soluciones. Esto incluye, por ejemplo, comprender la interacción de la topología con las interacciones, o el estudio de materiales aislantes topológicos de orden superior, que generalizan la correspondencia de límites generales. Actualmente, estas nuevas fases están siendo propuestas y descubiertas en una amplia gama de sistemas, incluidos los sistemas electrónicos, la fotónica o los átomos fríos en redes ópticas, entre otros.

Los simuladores cuánticos basados en átomos fríos en redes ópticas no sólo han estado en el centro del estudio de materiales topológicos debido a su versatilidad, sino que también se utilizan para probar sistemas en los que las interacciones entre partículas desafían las capacidades de los métodos computacionales disponibles. De hecho, la relación entre interacciones y topología puede dar lugar a fenómenos interesantes. Por ejemplo, la combinación de ruptura de simetría inducida por interacción y protección de simetría puede dar lugar a cargas fraccionarias deslocalizadas, ausentes en el caso de no interacción. Los experimentos con átomos fríos surgen como candidatos perfectos para estudiar sistemas topológicos que interactúan, pero aún deben compararse utilizando métodos numéricos avanzados.

En un estudio recientemente publicado en Physical Review Letters, la investigadora del ICFO Joana Fraxanet, dirigida por el profesor ICREA del ICFO Maciej Lewenstein, en colaboración con Daniel González-Cuadra del IQOQI, Alexandre Dauphin de PASQAL y Luca Barbiero del Politecnico de Torino, informan sobre un protocolo experimental fácilmente disponible para inducir una topología de orden superior protegida por simetría a través de un mecanismo espontáneo de ruptura de simetría en un sistema de cavidad atómica.

En su estudio, los científicos utilizaron técnicas numéricas basadas en redes tensoras para investigar un sistema formado por átomos bosónicos ultrafríos acoplados a dos cavidades. Los átomos quedan atrapados en la banda de energía más baja de una red óptica, que se genera mediante rayos láser que se propagan en direcciónes opuestas. Al agregar dos cavidades ópticas, los científicos han mejorado la probabilidad de interacciones mediadas por fotones entre los átomos, lo que conduce a interacciones efectivas de rango infinito. Para los regímenes de interés, estas interacciones inducen una transición de Peierls, que rompe espontáneamente la simetría traslacional del sistema. El patrón resultante abre una brecha topológica, lo que lleva a una fase topológica de orden superior que alberga estados denominados estados de esquina. Los autores presentan un protocolo detallado para la preparación adiabática de esta fase topológica de orden superior, que puede implementarse fácilmente utilizando simuladores cuánticos de átomos ultrafríos existentes, abriendo así el camino hacia la realización de fases topológicas inducidas por interacción bidimensional y la observación de Transiciones de Peierls en dimensiones mayores que uno.

Como comenta Joana Fraxanet, “nos gustaría extender la configuración para incluir cavidades multimodo, que permitan generar defectos topológicos de tipo átomo-fotón. Estos defectos generalizarían los solitones topológicos y las cuasipartículas fraccionadas que se encuentran en el modelo de Su-Schrieffer-Heeger a dos dimensiones. Además, al explorar el régimen de los bosones blandos, esperamos encontrar fases supersólidas ordenadas en plaquetas”.

Los resultados presentados en este estudio representan un paso adelante en la comprensión de los fenómenos topológicos que interactúan, que pueden tener aplicaciones importantes en el procesamiento de información cuántica y el descubrimiento de nuevos materiales. Además, los resultados son relevantes para una amplia comunidad de investigadores teóricos y experimentales que trabajan en materia topológica, experimentos con átomos ultrafríos, óptica cuántica y física del estado sólido.

Referencia: Higher-Order Topological Peierls Insulator in a Two-Dimensional Atom-Cavity System, Joana Fraxanet, Alexandre Dauphin, Maciej Lewenstein, Luca Barbiero, and Daniel González-Cuadra, Phys. Rev. Lett. 131, 263001 (2023) - Published 27 December 2023

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Pie de figura: Configuración experimental de cavidad atómica. Los átomos bosónicos ultrafríos están atrapados en la banda más baja de una red óptica 2D. Los átomos están acoplados a dos modos de cavidad creados por dos cavidades ópticas alineadas en las direcciones xey, y a una bomba láser alineada en la dirección z. En cada dirección, la fase relativa entre la red óptica y el modo de cavidad se elige de manera que los nodos de este último coincidan con los sitios de la red. En esta configuración, el hamiltoniano efectivo que describe el sistema átomo-cavidad contiene términos de tunelización correlacionada, donde los átomos pueden hacer túneles entre sitios vecinos más cercanos absorbiendo o emitiendo un fotón desde la cavidad.