22.08.2019

Topologischer Zustand unter Kontrolle

Rydberg-Zustände als Basis für einen Quantensimulator.

Einen besonderen Zustand der Materie hat ein wissen­schaftliches Team am Institut für Theoretische Physik der Universität Stuttgart unter Leitung von Hans Peter Büchler in Zusammen­arbeit mit der experimentellen Gruppe von Antoine Browaeys am Institut d’optique in Palaiseau erforscht. Es handelt sich um eine topo­logische Phase und damit die Rea­lisierung eines besonderen quanten­mechanischen Zustands von Materie. Zum ersten Mal ist es gelungen einen solchen topo­logischen Zustand im Sinne eines Quanten­simulators in einer kontrollierten Umgebung zu realisieren und seine speziellen Eigen­schaften zu untersuchen.

Abb.: Foto des künst­lichen Systems von insge­samt 14 individuell gefangenen...
Abb.: Foto des künst­lichen Systems von insge­samt 14 individuell gefangenen und präzise platzier­ten Atomen, in dem die topo­logische Phase realisiert worden ist. (Bild: Inst. d’optique, Palaiseau)

Die aller­meisten Zustände von Materie werden charak­terisiert durch das Konzept der spontanen Symmetrie­brechung. Beispiele sind Kristalle, in denen Atome periodisch angeordnet sind, oder Ferro­­magnete, deren magnetisches Moment eine spezielle Richtung auszeichnet. Im Unterschied dazu sind topologische Phasen nicht durch eine solche Symmetriebrechung ausgezeichnet und sind nicht innerhalb dieses Konzeptes erklärbar. Beispiele für bekannte topo­logische Phasen sind sowohl der ganzzahlige als auch der fraktionale Quanten-Hall-Zustand, aber auch topologische Isolatoren, wie sie in Festkörpern unter speziellen Bedingungen auftreten. 

Das nun erforschte künstliche System der Materie besteht aus Atomen, die in indi­viduellen Fallen gefangen und zu Rydberg-Zuständen angeregt sind. In dem Experiment sind es bis zu 14 Atome. Die starke Wechsel­wirkung zwischen diesen Rydberg-Zuständen führt dazu, dass der quanten­mechanische Grundzustand dieser Teilchen durch eine solche topo­logische Phase bestimmt ist. Durch die Kontrolle über jedes einzelne Atom konnten die besonderen Eigenschaften dieser topo­logischen Phase gemessen werden. Dazu gehören robuste Randzustände, ein charak­teristisches Anregungs­spektrum sowie ein nicht-lokaler Ordnungsparameter. Die experimentellen Beo­bachtungen, geleitet durch Antoine Browaeys am Institut d’optique, sind in exzellenter Über­einstimmung zu den theoretischen Vorhersagen der Arbeitsgruppe von Hans Peter Büchler. 

Die aktuelle Forschung ist Teil des ERC Projektes SIRPOL und Bestandteil des EU Flagships für Quanten­technologie und fällt in das Gebiet der Quanten­simulatoren. Sie wird an der Universität Stuttgart gemeinsam mit Gruppe von Antoine Browaeys am Institut d’optique der Université Paris-Saclay in Palaiseau betrieben. 

U. Stuttgart / JOL

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