拓扑量子系统的新测量技术

汉堡大学的研究人员展示了一种测量系统拓扑指数的新方法。该指数描述了材料的拓扑性质，并影响某些特性，如导电性。

图片说明：实验是在光驻波形成的光学晶格中用超冷原子进行的。研究人员将系统置于一个额外的环形驱动器中，然后根据系统升温的速度来确定拓扑结构。插图：UHH/Sengstock集团

在数学的各个分支中，几何是处理形状的局部特性的几何，如距离、角度和曲率，而拓扑则根据全局特性对形状进行分类。关键的问题是，一个形状是否可以在不切割或粘合的情况下连续变形为另一个形状。例如，在连续变形的情况下，表面上的孔数不能改变。

几何和拓扑也适用于量子态，因为它们具有某些特性。拓扑指数特别有趣：类似于一个表面上的孔数，它只能取整数值，这些整数描述了系统的拓扑结构。一个众所周知的例子是量子霍尔系统，因为它是由拓扑指数决定的，所以导电率取整数值。

围绕克劳斯·森特斯托克教授和克里斯托夫·韦滕伯格博士的“物质的高级成像”的实验团队现在展示了一种新的拓扑指数测量方案。他们与布鲁塞尔自由大学的Nathan Goldman博士领导的理论团队合作，他为新的测量方案提供了理论背景。

实验是在光驻波形成的光学晶格中用超冷原子进行的。这些原子的行为就像固态晶体中的电子，因此可以模拟固态物理现象。研究人员通过周期性地驱动系统来诱导拓扑特性，汉堡的其他研究人员利用激光照射来诱导石墨烯片中的拓扑。结果，索引从0更改为1或-1。对于测量方案，研究人员将系统置于额外的驱动下，然后观察系统加热的速度。从这些激励率可以得到系统的拓扑指数。

“这是一个有希望的结果，”魏登伯格解释说。“它可以帮助我们探测新的物质拓扑状态，首先是用超冷原子实现的。然而，这种方法也可以应用于实际材料。”