了解具有导电边缘的绝缘体

在其边缘导电的绝缘体有望获得有趣的技术应用。然而，直到现在他们的特点还没有被完全理解。在超冷量子气体的帮助下，歌德大学的物理学家们现在已经模拟出所谓的拓扑绝缘体。在最近一期的物理评论信中，他们演示了如何通过实验检测边缘状态。

图片说明：光学晶格（蓝色）中的人造边缘，充满由“自旋向上”粒子（红色）和“自旋向下”粒子（绿色）组成的超冷量子气体。沿着边缘——也只有那里——向上旋转的粒子只能流向左边，“向下旋转”的粒子只能流向右边。

想象一个由绝缘体制成的圆盘，它有一个导电边，电流总是沿着这个边流动。这项研究的第一作者Bernhard Irsigler解释说：“这使得量子粒子不可能受到阻碍，因为朝另一个方向流动的状态根本不存在。”换句话说：在边缘状态下，电流无电阻流动。例如，这可以用来提高移动设备的稳定性和能源效率。还正在研究如何利用它来制造效率更高的激光器。

近年来，为了更好地了解拓扑绝缘体在超冷量子气体中的行为，人们还制作了拓扑绝缘体。当正常气体冷却到高于绝对零度百万分之一到十亿分之一度的温度时，就会产生这些气体。这使得超冷的量子气体成为宇宙中最冷的地方。如果一个超冷的量子气体也在一个由激光构成的光学晶格中产生，那么气体原子的排列就如同在固体的晶体晶格中一样有规律。然而，与固体不同，许多参数可以改变，从而可以研究人工量子态。

“我们喜欢称之为量子模拟器，因为这种系统揭示了固体中发生的许多事情。利用光学晶格中的超冷量子气体，我们可以理解拓扑绝缘体的基本物理，”合著者郑俊辉解释说。

然而，固体和量子气体之间的一个显著区别是云状气体没有定义的边缘。那么，超冷气体中的拓扑绝缘体如何决定其边缘状态的位置呢？Goethe大学理论物理研究所WalterHofstetter教授的研究小组的研究人员在他们的研究中回答了这个问题。他们模拟了拓扑绝缘体和普通绝缘体之间的人工屏障。这代表了拓扑绝缘体的边缘，沿着它导电的边缘状态形成。

“我们证明了边缘状态是通过量子关联来表征的，这种关联可以在使用量子气体显微镜的实验中进行测量。哈佛大学、麻省理工学院和慕尼黑的马克斯普朗克量子光学研究所都进行了这种测量，”霍夫斯泰特说。量子气体显微镜是一种能在实验中探测单个原子的仪器。“对于我们的工作，我们必须明确考虑到量子气体粒子之间的相互作用。这使得调查更加现实，但也更加复杂。没有一台超级计算机就无法进行复杂的计算。Hofstetter补充道，在DFG研究单位的“人工规范场和超冷原子中相互作用的拓扑相”背景下，与欧洲主要科学家的密切合作对我们也特别重要。