トポロジカル絶縁体、刺激的な比較的新しいクラスの物質は、表面エッジ沿いに電気を運ぶ能力があり、その一方で、物質バルクは、電気的絶縁体として機能します。こういった物質の実用的用途は、科学者が、それらの特異挙動を決定する基礎物理をもっとよく理解するためにそれらの微視的特性を精査中なので、今はまだせいぜい理論段階です。
位相絶縁体の性質を複製するために、精密に調整されたレーザーと、室温の約１０億倍冷たい超冷原子を含む実験技術である、原子量子シミュレーションを使う事で、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の研究者チームは、位相絶縁体トランスポリアセチレンの保護された境界状態を初めて直接観測しました。この有機ポリマーの輸送特性は、トポロジカル絶縁体とスー・シュリーファー・ヒーガー・モデル(SSH)に特有です。
量子シミュレーション
Quantum simulation technique yields topological soliton state in SSH model
物理学院生エリック・マイヤー氏とファンツァオ・アレックス・アン氏は、助教授ブライス・ガドウェイ氏と協働して、自分達が量子輸送現象を精査することを可能にしてくれる工学的アプローチである新しい実験方法を開発しました。”量子シミュレーションは、実材料における電子輸送の直接研究と比べ、いくつかの特殊な機能を可能にします。”とガドウェイ教授は説明します。”中性原子を使う主な利点は、レーザー光線と別の電磁場を用いて自由にそれらを操作できることです。これらのコントロールフィールドの細部を変えることで、我々は、例えば、大規模な有効磁場の導入によるような制御された方法でその系の局在現象を研究したり対称性を破るために状況に応じた無秩序を加える事が可能です。究極的な最終目標は、粒子が強く相互に作用している領域において、そういったうまくコントロールされた系を使うことで、それの出現が、単一原子の振る舞いによって予測することが不可能である新しい現象を調査することです。”
チームの新しい方法は、このシステムデザインアイデア(あるいはハミルトニアンエンジニアリング)を極限まで取り入れ、研究者が、単一粒子の輸送を左右する全ての要素を制御することを可能にしています。”この特殊な研究は、我々が、位相的に重要な系を実現するためにこの手法を使うことができ、相互に作用する原子のトポロジカル系の将来的な実現に対する強い見込みがあることを初めて証明しているので重要です。”とマイヤー氏は言及しています。”我々のは、トポロジカル境界状態のサイト分解検出と位相敏感な形でそれらの構造を精査することを可能にする、この種の初めての研究です。” 今回の研究結果は、Nature Communications誌２０１６年１２月２３日号で掲載されています。
スー・シュリーファー・ヒーガー・モデル
The Su-Schrieffer-Heeger model is the textbook model of a topological insulator, displaying most of the salient features associated with topological systems—a topological phase with protected boundary states and an insulating system bulk. In conjugated polymers like polyacetylene, the topological soliton state is associated with the dimerized structure of alternating single and double bonds along the molecule’s backbone chain. Protected electronic states show up at the boundary between regions with opposite alternating order, and give rise to some unique transport properties, including an increase in electrical conductivity by about nine orders of magnitude under light doping with impurities.
「スー・シュリーファー・ヒーガー・モデルは、位相系(保護された境界状態と絶縁系バルクを持ったトポロジカル相)と関連した顕著な特徴の大部分を示している位相絶縁体の教科書的モデルです。ポリアセチレンのような共役高分子では、トポロジカルソリトン状態は、分子の主鎖に沿った交互性単・二重結合の二量化構造と関係しています。保護された電子状態は、逆交互配列を持った領域間の境界に現れ、不純物の少量添加で約９桁違いで電気伝導率が上昇することを含めた、いくつかの特異な輸送特性を生じます。」
トポロジカルシステム
アン氏は”トポロジカル系の最も興味深い側面の一部は、やや繊細で、システムパラメーターの微調整に依存しています。工学的量子系、冷却原子、光子シミュレーター、超電導キュービットなどは、この種の現象の研究に向いています。この理由は、それらが、一般的に、通常の凝縮材料系で回避するのが難しい、材料欠陥と熱変動のどちらの内在的欠陥の心配がないためです。”と、説明しています。
チームの新しい技術は、トポロジカルシステムの基本的振る舞いのさらなる研究に期待できます。追加の実験が既に進行中で、今回の研究を、二次元量子ホール系と欠陥存在下でのトポロジカル絶縁体の研究に拡大しています。
”我々の研究の興味深い側面は、我々が、この系のトポロジカルな境界状態を直接観測することと、それらを原子物理学技術を用いたフェーズセンシティブ(位相敏感)なやり方で詳しく調べることができたということです。”とガドウェイ教授はまとめました。”さらなる実験、血管に似ているがやや違った実験システムが、古典的なシミュレーションでアクセス不可能な強く相関した輸送現象の調査を可能にしてくれるかもしれません。近い将来における我々のグループの最も大きなゴールは、その種の系での原子相互作用の影響を観測することです。特に、私たちの原子が、相互に作用する量子流体を形成するという事実が、それらが、工学的なモデルシステムでの局所的相互作用を自然にサポートすることを可能にしています。我々は、近いうちに、この相互作用の影響を精査したいです。”
新しい量子シミュレーション方法が、スー・シュリーファー・ヒーガー・モデルで、トポロジカルソリトン状態(位相的ソリトン状態)を作り出すことに成功したみたいなことなんでしょうか。とにかく良く分かりませんが、何だか凄そうなのでネタにしてみました。