Die Forschung enthüllt eine überraschende topologische Umkehrung in Quantensystemen

Grundsätzlich sollte man Äpfel nicht mit Birnen vergleichen. In der Topologie, einem Teilgebiet der Mathematik, muss man jedoch genau das tun. Es stellt sich heraus, dass Äpfel und Orangen topologisch gleich sind, da sie beide kein Loch haben – im Gegensatz zum Beispiel zu Donuts oder Kaffeetassen, die beide eines haben (den Griff im Fall der Tasse), und daher sind topologisch gleich.

Abstrakter ausgedrückt können Quantensysteme in der Physik auch eine spezifische Apfel- oder Donut-Topologie aufweisen, die sich in den Energiezuständen und der Bewegung von Teilchen manifestiert. Forscher sind an solchen Systemen sehr interessiert, da sie aufgrund ihrer Topologie robust gegenüber Unordnung und anderen Störeinflüssen sind, die in natürlichen physikalischen Systemen immer vorhanden sind.

Besonders interessant wird es, wenn die Teilchen in einem solchen System zusätzlich interagieren, sich also gegenseitig anziehen oder abstoßen, wie Elektronen in Festkörpern. Topologie und Wechselwirkungen in Festkörpern gemeinsam zu untersuchen, ist jedoch äußerst schwierig. Einem ETH-Forscherteam um Tilman Esslinger ist es nun gelungen, topologische Effekte in einem künstlichen Festkörper nachzuweisen, bei dem die Wechselwirkungen mithilfe von Magnetfeldern ein- oder ausgeschaltet werden können.

Ihre Ergebnisse, die erscheinen In Wissenschaftkönnte in Zukunft in Quantentechnologien eingesetzt werden.

Transport nach Topologie

Zijie Zhu, ein Ph.D. Student in Esslingers Labor und Erstautor der Studie, und seine Kollegen bauten den künstlichen Festkörper aus extrem kalten Atomen (fermionischen Kaliumatomen), die mithilfe von Laserstrahlen in räumlich periodischen Gittern eingefangen wurden. Zusätzliche Laserstrahlen führten dazu, dass sich die Energieniveaus benachbarter Gitterplätze periodisch auf und ab bewegten und nicht synchron zueinander waren.

Nach einiger Zeit vermaßen die Forscher die Positionen der Atome im Gitter, zunächst ohne Wechselwirkungen zwischen den Atomen. In diesem Experiment beobachteten sie, dass die Donut-Topologie der Energiezustände dazu führt, dass die Teilchen bei jeder Wiederholung des Zyklus von einem Gitterplatz immer in die gleiche Richtung transportiert werden.

„Das kann man sich wie die Bewegung einer Schraube vorstellen“, sagt Konrad Viebahn, Senior Postdoc in Esslingers Team. Bei der Schraubbewegung handelt es sich um eine Drehung im Uhrzeigersinn um die eigene Achse, die Schraube selbst bewegt sich dadurch jedoch nach vorne. Bei jeder Umdrehung bewegt sich die Schraube um eine bestimmte Strecke weiter, die unabhängig von der Geschwindigkeit ist, mit der man die Schraube dreht. Ein solches Verhalten, auch topologisches Pumpen genannt, ist typisch für bestimmte topologische Systeme.

Was aber, wenn die Schraube auf ein Hindernis trifft? Im Experiment der ETH-Forscher war dieses Hindernis ein zusätzlicher Laserstrahl, der die Bewegungsfreiheit der Atome in Längsrichtung einschränkte. Nach rund 100 Umdrehungen der Schraube liefen die Atome sozusagen gegen eine Wand. In der oben verwendeten Analogie stellt die Wand eine Apfeltopologie dar, in der kein topologisches Pumpen stattfinden kann.

Überraschende Rückkehr

Überraschenderweise blieben die Atome nicht einfach an der Wand stehen, sondern drehten sich plötzlich um. Die Schraube bewegte sich also rückwärts, obwohl sie weiter im Uhrzeigersinn gedreht wurde. Esslinger und sein Team erklären diese Rückkehr mit den beiden Donut-Topologien, die im Gitter existieren – eine mit einem sich im Uhrzeigersinn drehenden Donut und eine andere, die sich in die entgegengesetzte Richtung dreht. An der Wand können die Atome von einer Topologie in die andere wechseln und so ihre Bewegungsrichtung umkehren.

Dann schalteten die Forscher eine abstoßende Wechselwirkung zwischen den Atomen ein und beobachteten, was passierte. Wieder einmal erlebten sie eine Überraschung: Die Atome drehten sich nun an einer unsichtbaren Barriere um, noch bevor sie die Laserwand erreichten.

„Anhand von Modellrechnungen konnten wir zeigen, dass die unsichtbare Barriere durch die gegenseitige Abstoßung der Atome selbst entsteht“, erklärt Ph.D. Studentin Anne-Sophie Walter.

Qubit-Autobahn für Quantencomputer

„Mit diesen Beobachtungen haben wir einen großen Schritt hin zu einem besseren Verständnis interagierender topologischer Systeme gemacht“, sagt Esslinger, der solche Effekte untersucht. In einem nächsten Schritt will er in weiteren Experimenten untersuchen, ob die topologische Schraube gegenüber Unordnung so robust ist wie erwartet und wie sich die Atome in zwei oder drei Raumdimensionen verhalten.

Esslinger hat auch einige praktische Anwendungen im Blick. Beispielsweise könnte der Transport von Atomen oder Ionen durch topologisches Pumpen als Qubit-Autobahn genutzt werden, um die Qubits (Quantenbits) in Quantencomputern an die richtigen Orte zu bringen, ohne sie zu erhitzen oder ihre Quantenzustände zu stören.