La protezione della fase topologica arriva al sub

Un gruppo di ricerca internazionale fa una svolta nella fisica

Istituto Nazionale di Ricerca Scientifica - INRS

immagine: Illustrazione schematica che classifica le perturbazioni nella fase topologica protetta dalla simmetria (fase SPT). La regione sovrapposta circondata da linee rosse, grigie e verdi rappresenta una fase topologica protetta dalla simmetria con invarianti topologici e corrispondenti stati al contorno topologici. La linea grigia è un insieme di perturbazioni che influenzano gli stati al contorno ma non interrompono l'invariante topologico del sistema complessivo. Le aree della linea rossa e verde mostrano gli stati al contorno protetti dalla loro sub-simmetria rispettivamente associata. L'esempio illustrato mostra due serie di perturbazioni che soddisfano la sottosimmetria ma distruggono l'invariante topologico del sistema complessivo. In questo caso, la subsimmetria protegge gli stati al contorno.vedere di più

Credit: Domenico Bongiovanni and co-authors

Un team internazionale guidato da ricercatori dell’Università di Nankai in Cina e dell’Università di Zagabria in Croazia, insieme al team dell’Institut national de la recherche scientifique (INRS) in Canada, guidato da Roberto Morandotti, ha fatto un importante passo avanti nello studio della topologia fasi. I loro risultati sono stati recentemente pubblicati su Nature Physics, una rivista pubblicata da Nature Publishing Group.

Nell’ultimo decennio, la fotonica topologica ha attirato crescente attenzione grazie alle prospettive uniche di ottenere una manipolazione della luce con elevate prestazioni in termini di robustezza e stabilità. Le scoperte nel campo della fotonica topologica hanno aperto la strada allo sviluppo di una nuova generazione di dispositivi fotonici, come laser e cavità topologiche, caratterizzati da stati topologicamente protetti che sono immuni a disturbi e difetti. Il concetto di topologia in fisica è ereditato dalla matematica, dove la topologia viene utilizzata per studiare le proprietà geometriche di un oggetto riguardanti quantità che si conservano sotto deformazione continua. Due oggetti sono topologicamente identici quando la superficie dell'uno può deformarsi continuamente in quella dell'altro e viceversa, ad esempio, una tazza di caffè e un toro sono equivalenti dal punto di vista topologico. In fisica, il concetto di topologia viene utilizzato per descrivere le caratteristiche delle bande di energia, portando alla previsione di nuovi stati topologici della materia e di vari materiali topologici. Le diverse fasi topologiche (banali e non banali) vengono distinte introducendo opportunamente invarianti topologici quantizzati, che consentono di stabilire un legame tra le proprietà di bulk e l'emergere della feature al confine di questi materiali, nota come "corrispondenza di bulk-confine". A questo proposito, la caratteristica più distintiva di una topologia non banale è l’esistenza di robusti stati al contorno topologici protetti da specifiche simmetrie spaziali e/o intrinseche.

In generale, nei sistemi di fase topologica protetta da simmetria (fase SPT), si ritiene che la stretta relazione tra stati al contorno topologici, invarianti topologici e una o più simmetrie complessive sia indispensabile per mantenere la protezione topologica contro le perturbazioni. Di conseguenza, sia gli invarianti topologici che gli stati al contorno topologici sono irrimediabilmente influenzati da qualsiasi distorsione che rompa la simmetria sottostante. In questo lavoro, il gruppo di ricerca internazionale ha sfidato questa tradizionale convinzione comune, ampliando così la comprensione degli stati di confine del SPT. Hanno scoperto che anche se il sistema non ha più invarianti topologici quantizzati e alcuni tipi di simmetria globale, gli stati al contorno topologici possono ancora esistere nei sottospazi corrispondenti, protetti dalle cosiddette "sottosimmetrie".

"La nostra scoperta sfida il pensiero comune della fase topologica protetta dalla simmetria in topologia e rinnova la corrispondenza tra invariante topologico e stati al contorno", ha affermato Domenico Bongiovanni uno dei principali ricercatori, ricercatore post-dottorato presso l'INRS-EMT. "La nostra idea ha il potenziale per spiegare l'origine topologica di molti stati non convenzionali e può trovare applicazione in diverse piattaforme e sistemi fisici."