Forschung: Präparation topologischer Phasen ohne Phasenübergang

Die Realisierung topologischer Quantenzustände bei niedriger Temperatur stellt im Feld der Quantensimulation mit synthetischen Materialsystemen nach wie vor eine große Herausforderung dar. Per Definition lassen sich (nicht symmetrie-geschützte) topologische Phasen in einem abgeschlossenen System nicht ohne einen Quanten-Phasenübergang erreichen, was ihre Präparation im Rahmen kohärenter Quantendynamik weitgehend unmöglich macht.

Um diese grundlegende Schwierigkeit zu überwinden, haben Quantenphysiker aus Dresden zusammen mit ihren Innsbrucker Kollegen nun ein neuartiges und experimentell realistisches Protokoll vorgeschlagen. Dabei ist die Kopplung des Zielsystems (in dem etwa ein Chern-Isolator Zustand präpariert werden soll) an ein Duplikat desselben entscheidend, um im zusammengesetzten Gesamtsystem eine symmetriegeschützte topologische Phase durch zwischenzeitliche Brechung der Symmetrie adiabatisch zu präparieren. Das zuletzt wieder vom Zielsystem entkoppelte Duplikat wird dann verworfen, was einer Projektion auf das Zielsystem entspricht. Diese Strategie kann unmittelbar auf alle sogenannten invertierbaren topologischen Phasen, für die es eine umgekehrte topologische Ordnung gibt, angewendet werden. Beispielhaft wird diese Entdeckung durch mikroskopische Simulationen an einem experimentell realistischen Modellsystem für ultrakalte fermionische Gase in getriebenen spinabhängigen hexagonalen optischen Gittern veranschaulicht.

F. Tonielli, J. C. Budich, A. Altland, S. Diehl,
Topological field theory far from equilibrium,
Phys. Rev. Lett. 124, 240404 (2020) (arXiv)