Observation of a topological edge state among localized bulk states in the anisotropic quantum Rabi model

In der Welt der Quantenphysik suchen Wissenschaftler oft nach besonderen Materiezuständen, die durch die zugrunde liegenden Regeln der Symmetrie geschützt sind. Stellen Sie sich ein Material vor, in dem Elektrizität nur entlang der Kanten fließt, während das Innere völlig unbeweglich bleibt. Diese „Randzustände“ sind robust; sie können Stöße und Unvollkommenheiten überstehen, die gewöhnliche Ströme zerstören würden. Dieses Phänomen, bekannt als Topologie, beruht normalerweise auf einem sich wiederholenden Muster, wie etwa den regelmäßigen Fliesen auf einem Boden, um diese geschützten Pfade zu erzeugen. Die Natur ist jedoch nicht immer so geordnet. In Systemen, in denen dieses sich wiederholende Muster unterbrochen oder gar nicht vorhanden ist, versagt die übliche Methode, diese Randzustände zu finden. Wenn das gesamte System ungeordnet ist, können sowohl die Randzustände als auch die gewöhnlichen Zustände im Inneren des Materials am selben Ort feststecken, sodass sie allein durch den Blick auf ihren Standort identisch erscheinen. Die Herausforderung für Physiker bestand darin, einen Weg zu finden, sie voneinander zu unterscheiden, wenn sie beide am selben Ort gefangen sind.

Ein Forschungsteam hat dieses Rätsel nun gelöst, indem es in einem Labor eine neue Art von Quantensystem erschaffen und einen speziellen Randzustand beobachtet hat, der sich durch seine interne Struktur statt durch seinen Standort offenbart. Mithilfe eines Quantensimulators, der aus gefangenen Ionen besteht – winzigen geladenen Atomen, die durch elektrische Felder an Ort und Stelle gehalten werden –, replizierten die Wissenschaftler ein Modell, das als anisotropes Rabi-Modell bekannt ist. In diesem Aufbau fungieren die Atome als synthetisches Gitter, ein Netz von Punkten, durch das Quantenteilchen springen können. Im Gegensatz zu einem Standardgitter, bei dem die Verbindungen zwischen den Punkten alle gleich sind, werden die Verbindungen in diesem Experiment stärker, je weiter man sich nach außen bewegt, wodurch das übliche sich wiederholende Muster gebrochen wird. Trotz dieser Unordnung gelang es den Forschern, einen spezifischen Quantenzustand vorzubereiten, der sich am Rand des Systems befindet. Sie fanden heraus, dass dieser Zustand zwar genauso ortsfest aussah wie die gewöhnlichen Zustände in seiner Umgebung, aber über einzigartige interne Fingerabdrücke verfügte: eine ausgeprägte Händigkeit und eine vollständige Trennung zwischen seinen Spin- und Bewegungsanteilen.

Das Experiment wurde mit einer Kette aus zwei Ytterbium-Ionen durchgeführt, wobei ein Ion als Hauptakteur und das andere als Zeuge zur Messung der Ergebnisse diente. Die Wissenschaftler manipulierten die Wechselwirkungen zwischen dem internen Spin des Ions und seiner physikalischen Bewegung mithilfe präzise abgestimmter Laserstrahlen. Durch die langsame Anpassung der Stärke dieser Wechselwirkungen führten sie das System in einen spezifischen Energiezustand. In der durch sie erzeugten topologischen Phase entstand ein besonderer Nullenergie-Zustand. Die Forscher verglichen diesen Zustand mit mehreren gewöhnlichen Zuständen, die ebenfalls im System existierten. Als sie untersuchten, wo sich die Teilchen wahrscheinlich aufhalten, erschienen sowohl der spezielle Randzustand als auch die gewöhnlichen Zustände lokalisiert, oder festgefahren, nahe dem Anfang der Kette. Dies bestätigte, dass die bloße Betrachtung der Position der Teilchen nicht ausreichte, um den topologischen Zustand vom Rest zu unterscheiden.

Um den Unterschied zu finden, untersuchte das Team die internen Eigenschaften der Zustände. Sie maßen eine Eigenschaft namens Chiralität, die eine Art von Händigkeit oder Richtungscharakteristik in einem Quantensystem beschreibt. Der spezielle Randzustand zeigte eine sehr klare, konsistente Händigkeit und verhielt sich fast vollständig wie ein rechtshändiger Zustand. Im Gegensatz dazu waren die gewöhnlichen Bulk-Zustände (Volumen-Zustände) eine chaotische Mischung aus links- und rechtshändigen Anteilen, die sich im Durchschnitt zu keiner klaren Richtung summierten. Darüber hinaus untersuchten die Forscher, wie der Spin und die Bewegung des Ions miteinander verknüpft waren. In den gewöhnlichen Zuständen waren Spin und Bewegung tief verschränkt, was bedeutet, dass der Zustand des einen nicht ohne den anderen beschrieben werden konnte. Der spezielle Randzustand war jedoch bemerkenswert rein; sein Spin und seine Bewegung waren fast vollständig getrennt und verhielten sich so, als wären sie zwei unabhängige Objekte, die sich lediglich am selben Ort befanden.

Die Untersuchung ging tiefer in den Bewegungsanteil des speziellen Zustands. Mithilfe einer Technik namens Phasenraum-Tomographie, die den Quantenzustand auf eine Weise kartiert, die einer Fotografie einer Welle ähnelt, entdeckte das Team, dass der Bewegungsanteil des Randzustands ein „gequetschtes Vakuum“ (squeezed vacuum) war. Dies ist ein hochgradig nicht-klassischer Zustand, bei dem die Unsicherheit in einem Aspekt der Bewegung unter das Standardlimit reduziert wird, während die Unsicherheit in einem anderen Aspekt zunimmt. Die Forscher maßen diese Quetschung mit bis zu 6,45 Dezibel, ein signifikanter Wert, der bestätigt, dass der Zustand weit vom Gewöhnlichen entfernt ist. Wenn sie die Stärke der Wechselwirkung erhöhten, wurde die Quetschung deutlicher und entsprach den theoretischen Vorhersagen, bis das System zu verrauscht wurde, um den perfekten Zustand aufrechtzuerhalten.

Diese Ergebnisse zeigen, dass topologische Randzustände selbst in einem System ohne ein sich wiederholendes Muster existieren und identifiziert werden können. Der Schlüssel liegt nicht darin, nach dem Ort des Zustands zu suchen, sondern danach, woraus der Zustand besteht. Indem sie die einzigartige Händigkeit und die Trennung seiner Bestandteile identifizierten, bewiesen die Forscher, dass die topologische Natur des Zustands der Unordnung standhält. Diese Arbeit etabliert eine neue Methode, um topologische Phänomene zu untersuchen, und zeigt, dass die interne Struktur eines Quantenzustands als zuverlässiges Merkmal dienen kann, selbst wenn der Zustand unter anderen lokalisierten Zuständen verborgen ist. Die Fähigkeit, diese Zustände in einer kontrollierten Umgebung zu erzeugen und zu charakterisieren, öffnet die Tür zur Erforschung komplexerer topologischer Modelle und zur potenziellen Entwicklung neuer Methoden für eine robuste Quanteninformationsverarbeitung.