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

Nel mondo della fisica quantistica, gli scienziati cercano spesso stati speciali della materia che siano protetti dalle regole sottostanti della simmetria. Immaginate un materiale in cui l'elettricità scorre solo lungo i bordi, mentre l'interno rimane completamente immobile. Questi "stati di bordo" sono robusti; possono sopravvivere a urti e imperfezioni che distruggerebbero le correnti ordinarie. Questo fenomeno, noto come topologia, solitamente si basa su un modello ripetitivo, come le piastrelle regolari di un pavimento, per creare questi percorsi protetti. Tuttavia, la natura non è sempre così ordinata. Nei sistemi in cui questo modello ripetitivo è interrotto o mancante, il modo consueto di trovare questi stati di bordo fallisce. Se l'intero sistema è disordinato, sia gli stati di bordo che gli stati ordinari all'interno del materiale possono rimanere bloccati nello stesso posto, rendendoli identici se si guarda solo alla loro posizione. La sfida per i fisici è stata trovare un modo per distinguerli quando sono entrambi intrappolati nello stesso punto.

Un team di ricercatori ha ora risolto questo enigma creando un nuovo tipo di sistema quantistico in un laboratorio e osservando uno speciale stato di bordo che si rivela attraverso la sua struttura interna piuttosto che la sua posizione. Utilizzando un simulatore quantistico costruito da ioni intrappolati — minuscole particelle cariche tenute in posizione da campi elettrici — gli scienziati hanno ricreato un modello noto come modello di Rabi quantistico anisotropo. In questa configurazione, gli atomi agiscono come un reticolo sintetico, una griglia di punti dove le particelle quantistiche possono saltare. A differenza di una griglia standard dove le connessioni tra i punti sono tutte uguali, le connessi in questo esperimento diventano più forti man mano che ci si sposta verso l'esterno, rompendo il consueto schema ripetitivo. Nonostante questo disordine, i ricercatori sono riusciti a preparare uno specifico stato quantistico che si trova al bordo del sistema. Hanno scoperto che, sebbene questo stato sembrasse altrettanto bloccato in posizione quanto gli stati ordinari circostanti, possedeva delle impronte digitali interne uniche: una distinta manualità e una completa separazione tra i suoi componenti di spin e di moto.

L'esperimento è stato condotto utilizzando una catena di due ioni ytterbio, dove un ione fungeva da attore principale e l'altro da testimone per misurare i risultati. Gli scienziati hanno manipolato le interazioni tra lo spin interno dell'ione e il suo moto fisico utilizzando fasci laser calibrati con cura. Regolando lentamente la forza di queste interazioni, hanno guidato il sistema verso uno stato di energia specifico. Nella fase topologica che hanno creato, è emerso uno speciale stato a energia zero. I ricercatori hanno confrontato questo stato con diversi stati ordinari che esistevano anche nel sistema. Quando hanno guardato dove le particelle era probabile trovarle, sia lo speciale stato di bordo che gli stati ordinari apparivano localizzati, o bloccati, vicino all'inizio della catena. Ciò ha confermato che guardare semplicemente la posizione delle particelle non era sufficiente per distinguere lo stato topologico dal resto.

Per trovare la differenza, il team ha esaminato le proprietà interne degli stati. Hanno misurato una proprietà chiamata chiralità, che descrive un tipo di manualità o direzionalità nel sistema quantistico. Lo speciale stato di bordo mostrava una manualità molto chiara e costante, agendo quasi interamente come uno stato destrorso. Al contrario, gli stati ordinari del volume erano un miscuglio disordinato di destra e sinistra, con una media che non mostrava alcuna direzione chiara. Inoltre, i ricercatori hanno osservato come lo spin e il moto dell'ione fossero legati. Negli stati ordinari, lo spin e il moto erano profondamente intrecciati, il che significa che lo stato di uno non poteva essere descritto senza l'altro. Tuttavia, lo speciale stato di bordo era straordinariamente pulito; il suo spin e il suo moto erano quasi completamente separati, comportandosi come se fossero due oggetti indipendenti che si trovano solo per caso nello stesso posto.

L'indagine è andata più a fondo nella parte del moto dello stato speciale. Utilizzando una tecnica chiamata tomografia dello spazio delle fasi, che mappa lo stato quantistico in un modo simile a scattare una fotografia di un'onda, il team ha scoperto che la componente del moto dello stato di bordo era un "vuoto compresso" (squeezed vacuum). Questo è uno stato altamente non classico in cui l'incertezza in un aspetto del moto è ridotta al di sotto del limite standard, mentre l'incertezza nell'altro aspetto aumenta. I ricercatori hanno misurato questa compressione fino a 6,45 decibel, una quantità significativa che conferma che lo stato è lontano dall'essere ordinario. Man mano che aumentavano la forza dell'interazione, la compressione diventava più pronunciata, corrispondendo alle previsioni teoriche finché il sistema non è diventato troppo rumoroso per mantenere lo stato perfetto.

Queste scoperte dimostrano che anche in un sistema privo di un modello ripetitivo, gli stati di bordo topologici possono esistere e può essere identificati. La chiave non è guardare dove si trova lo stato, ma guardare di cosa è fatto lo stato. Identificando l'unica manualità e la separazione delle sue parti, i ricercatori hanno provato che la natura topologica dello stato sopravvive al disordine. Questo lavoro stabilisce un nuovo modo per sondare i fenomeni topologici, mostrando che la struttura interna di uno stato quantistico può servire come firma affidabile, anche quando lo stato è nascosto tra altri stati localizzati. La capacità di creare e caratterizzare questi stati in un ambiente controllato apre la strada all'esplorazione di modelli topologici più complessi e potenzialmente allo sviluppo di nuovi metodi per l'elaborazione robusta dell'informazione quantistica.