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Orden topológico protegido por simetría: ¿por qué cambia nuestra comprensión de la materia?
En la investigación de fases en física, el orden topológico protegido por simetría (SPT) es un nuevo estado de la materia que no sólo tiene propiedades especiales a nivel mecánico cuántico, sino que también tiene un profundo impacto en nuestra comprensión de la naturaleza de la materia. . Este estado implica algunas simetrías y diferencias de energía finitas en sistemas mecánicos cuánticos de temperatura cero. Desde una perspectiva macroscópica, el orden SPT demuestra cómo se pueden distinguir diferentes estados de la materia manteniendo la simetría, mientras que estos estados no pueden deformarse continuamente sin sufrir transiciones de fase.
El estado SPT es un estado entrelazado de corto alcance con simetría, lo que contrasta marcadamente con el orden topológico entrelazado de largo alcance.
Las secuencias protegidas por estas simetrías permanecen relativamente estables incluso en sustancias diferentes. Esta protección promueve la relación dialéctica entre los estados SPT y otros tipos de orden topológico, tanto en sistemas bosónicos como fermiónicos. Para muchos físicos, el descubrimiento del orden SPT no sólo es un desafío a las teorías existentes, sino también una ventana para abrir nuevos estados de la materia.
Para ciertos estados SPT no triviales, la teoría efectiva en su límite siempre tiene anomalías de calibre puro o anomalías mixtas de calibre y gravedad. Esto hace que los límites de los estados SPT no tengan brechas o estén degenerados y, por lo tanto, sean bastante intrigantes en términos de la estructura de la materia.
El orden SPT aparece en muchos fenómenos físicos bien conocidos, como la fase de Haldane y los aislantes topológicos fermiónicos no interactuantes. Estos ejemplos no sólo demuestran la diversidad de estos estados, sino que también motivan a los investigadores a buscar nuevas realizaciones físicas. Estos hallazgos significan que tenemos formas más concretas de comprender y explotar los estados cuánticos.Un estado SPT no trivial no puede tener un límite no degenerado con hueco, lo que nos da una comprensión completamente nueva del comportamiento del límite de la materia.
Además, la distinción entre los estados SPT y el orden topológico (intrínseco) es que este último implica un entrelazamiento de largo alcance y generalmente es capaz de mantener la estabilidad de sus límites en ausencia de perturbaciones locales. Por ejemplo, en el orden topológico intrínseco, las excitaciones en los límites están protegidas topológicamente, mientras que en el orden SPT es necesario preservar la simetría para mantener esta estabilidad.
En el orden SPT, vemos que las excitaciones en los límites son meros artefactos de protección de simetría, en lugar de estructuras costosas que surgen de la topología verdadera.
Además, los defectos moleculares albergan propiedades estadísticas no triviales y números cuánticos fraccionarios en estados SPT bidimensionales no triviales, que, entre otras cosas, permiten el surgimiento de nuevos conceptos de materiales cuánticos. Estos defectos cuánticos no sólo exhiben comportamientos complejos relacionados con la simetría, sino que también son elementos indispensables para estudiar el orden SPT.
En teoría, la comprensión del orden topológico protegido por la simetría también puede inspirarse en la teoría conforme de grupos. Utilizando el concepto de entrelazamiento cuántico, podemos dividir todas las fases de temperatura cero con huecos en dos categorías: fases entrelazadas de largo alcance (con orden topológico intrínseco) y fases entrelazadas de corto alcance (sin orden topológico intrínseco). Esta clasificación ayuda a los físicos a identificar con mayor precisión las propiedades y el potencial de aplicación de varios tipos de materiales cuánticos.
La teoría de homología de grupos proporciona una herramienta poderosa para la clasificación de las fases SPT, ayudándonos a comprender sistemáticamente los diferentes estados de la materia cuántica.
En el futuro, a través de una comprensión más profunda de los estados SPT, los científicos podrán predecir nuevos estados cuánticos de la materia, como los aislantes topológicos bosónicos y los superconductores topológicos, que pueden cambiar toda nuestra comprensión de la materia, especialmente las aplicaciones en campos como como la ciencia de los materiales y la computación cuántica. Por supuesto, esto también significa que todavía necesitamos explorar más posibilidades para cambiar completamente nuestra visión de la materia.
El estudio de la secuencia SPT no es solo un tema de vanguardia importante en física, sino también la piedra angular para que comprendamos y demos forma a la tecnología futura, y así comprendamos mejor la naturaleza y las leyes del universo. Entonces, ¿cuántos fenómenos físicos desconocidos existen? ¿Nos están esperando? ¿Lo revelamos?
