拓撲絕緣體是一種令人興奮的，相對較新的材料，能夠沿著表面邊緣傳輸電力，而大部分材料充當電絕緣體。這些材料的實際應用仍然主要是理論問題，因為科學家探索其微觀特性以更好地理解控制其特殊行為的基本物理學。

伊利諾伊大學厄巴納 - 香檳分校的一組研究人員使用原子量子模擬，一種涉及精細調諧的激光和超冷原子的實驗技術，復制了拓撲絕緣體的特性，以復制拓撲絕緣體的特性。第一次是拓撲絕緣體反式聚乙炔的受保護邊界態（拓撲孤子態）。該有機聚合物的傳輸性質是拓撲絕緣體和Su-Schrieffer-Heeger（SSH）模型的典型特征。物理學研究生Eric Meier和Fangzhao Alex An與助理教授Bryce Gadway合作開發了一種新的實驗方法，這種方法可以讓團隊探索量子傳輸現象。

“與真實材料中電子傳輸的直接研究相比，量子模擬具有一些獨特的功能，”Gadway解釋道。“使用中性原子的一個主要優點是能夠通過使用激光和其他電磁場隨意操縱它們。通過改變這些控制場的細節，我們可以，例如，添加定制的無序來研究定位現象或以受控的方式破壞系統的對稱性，例如通過引入大的有效磁場。最終的目標是在粒子相互作用強烈的情況下使用這種良好控制的系統，并探索出現我們不會出現的新現象已經能夠根據單個原子的行為進行預測。”

該團隊的新方法將系統設計或“漢密爾頓工程”這一理念發揮到極致，使研究人員能夠控制控制單個粒子傳輸的每一個元素。

“這項特殊的研究非常重要，因為我們首次表明我們可以使用這種方法來實現拓撲非平凡系統，并且未來實現原子的相互作用拓撲系統具有很大的希望。” 梅爾評論。“我們的第一項研究是允許以拓撲邊界狀態進行位點分辨檢測，并以相敏方式探測其結構。” 結果發表于2016年12月23日的Nature Communications期刊。

Su-Schrieffer-Heeger模型是拓撲絕緣體的教科書模型，顯示了與拓撲系統相關的大部分顯著特征 - 具有受保護邊界狀態和絕緣系統體積的拓撲相。在諸如聚乙炔的共軛聚合物中，拓撲孤子態與沿著分子主鏈的交替的單鍵和雙鍵的二聚結構相關。受保護的電子態出現在具有相反交替順序的區域之間的邊界處，并且產生一些獨特的傳輸性質，包括在輕摻雜雜質的情況下電導率增加約九個數量級。

一個解釋說，“拓撲系統的一些最有趣的方面是相當微妙的或依賴于系統參數的微調。工程量子系統 - 冷原子，光子模擬器，超導量子比特等 - 更好地用于探索這些類型的現象。其原因在于它們通常沒有傳統凝聚態物質系統難以避免的內在無序，包括物質無序和熱波動。

該團隊的新技術有望進一步研究拓撲系統的基本行為。其他實驗已在進行中，將這項工作擴展到二維量子霍爾型系統，并在存在無序的情況下探索拓撲絕緣體。

“我們研究的有趣方面是我們能夠直接觀察到該系統的拓撲邊界狀態，并用原子物理技術以相位敏感的方式探測它們，”Gadway總結道。“未來的實驗，類似于靜脈，但在略有不同的實驗系統中，可以探索經典模擬無法獲得的強相關傳輸現象。我們小組在不久的將來的最大目標是觀察原子相互作用在這種情況下的影響。特別是，我們的原子形成相互作用的量子流體這一事實使它們能夠自然地支持工程模型系統中的局部相互作用。我們希望很快能夠探測這些相互作用的影響。”