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Ordine topologico protetto dalla simmetria: perché cambia la nostra comprensione della materia?
Nella ricerca sulle fasi in fisica, l'ordine topologico protetto dalla simmetria (SPT) è un nuovo stato della materia che non solo ha proprietà speciali a livello di meccanica quantistica, ma ha anche un profondo impatto sulla nostra comprensione della natura della materia. . Questo stato implica alcune simmetrie e differenze di energia finite nei sistemi meccanici quantistici a temperatura zero. Da una prospettiva macroscopica, l'ordine SPT dimostra come sia possibile distinguere diversi stati della materia mantenendo la simmetria, mentre questi stati non possono essere deformati continuamente senza subire transizioni di fase.
Lo stato SPT è uno stato entangled a corto raggio con simmetria, in netto contrasto con l'ordine topologico entangled a lungo raggio.
Le sequenze protette da queste simmetrie rimangono relativamente stabili anche in sostanze diverse. Questa protezione promuove la relazione dialettica tra gli stati SPT e altri tipi di ordine topologico, sia nei sistemi bosonici che in quelli fermionici. Per molti fisici, la scoperta dell'ordine SPT non rappresenta solo una sfida alle teorie esistenti, ma anche una finestra per aprire nuovi stati della materia.
Per certi stati SPT non banali, la teoria effettiva al suo confine presenta sempre anomalie di gauge pure o anomalie miste di gauge-gravità. Ciò rende i confini degli stati SPT continui o degeneri e quindi piuttosto intriganti in termini di struttura della materia.
Uno stato SPT non banale non può avere un confine non degenere con gap, il che ci fornisce una comprensione completamente nuova del comportamento al contorno della materia.
L'ordine SPT appare in molti fenomeni fisici noti, come la fase di Haldane e gli isolanti topologici fermionici non interagenti. Questi esempi non solo dimostrano la diversità di questi stati, ma motivano anche i ricercatori a cercare nuove realizzazioni fisiche. Queste scoperte indicano che disponiamo di metodi più concreti per comprendere e sfruttare gli stati quantistici.
Inoltre, la distinzione tra gli stati SPT e l'ordine topologico (intrinseco) è che quest'ultimo implica un intreccio a lungo raggio ed è generalmente in grado di mantenere la stabilità dei suoi confini in assenza di perturbazioni locali. Ad esempio, nell'ordine topologico intrinseco, le eccitazioni ai confini sono topologicamente protette, mentre nell'ordine SPT è necessario preservare la simmetria per mantenere questa stabilità.
Nell'ordine SPT, vediamo che le eccitazioni ai confini sono semplicemente artefatti di protezione della simmetria, piuttosto che strutture costose derivanti dalla vera topologia.
Inoltre, i difetti molecolari ospitano proprietà statistiche non banali e numeri quantici frazionari in stati SPT bidimensionali non banali, che, tra le altre cose, consentono l'emergere di nuovi concetti di materiali quantistici. Questi difetti quantistici non solo mostrano comportamenti complessi legati alla simmetria, ma sono anche elementi indispensabili per studiare l'ordine SPT.
In teoria, la comprensione dell'ordine topologico protetto dalla simmetria può anche essere ispirata dalla teoria conforme di gruppo. Utilizzando il concetto di entanglement quantistico, possiamo dividere tutte le fasi a temperatura zero con gap in due categorie: fasi entangled a lungo raggio (con ordine topologico intrinseco) e fasi entangled a corto raggio (senza ordine topologico intrinseco). Questa classificazione aiuta i fisici a identificare con maggiore precisione le proprietà e il potenziale applicativo dei vari tipi di materiali quantistici.
La teoria dell'omologia di gruppo fornisce un potente strumento per la classificazione delle fasi SPT, aiutandoci a comprendere sistematicamente i diversi stati della materia quantistica.
In futuro, attraverso una comprensione più approfondita degli stati SPT, gli scienziati saranno in grado di prevedere nuovi stati quantistici della materia, come gli isolanti topologici bosonici e i superconduttori topologici, che potrebbero cambiare tutta la nostra comprensione della materia, in particolare le applicazioni in campi come come la scienza dei materiali e l'informatica quantistica. Naturalmente, questo significa anche che dobbiamo ancora esplorare altre possibilità per cambiare completamente la nostra visione della materia.
Lo studio della sequenza SPT non è solo un importante argomento di frontiera nella fisica, ma anche la pietra angolare per comprendere e dare forma alla tecnologia futura, e quindi comprendere meglio la natura e le leggi dell'universo. Quindi, quanti fenomeni fisici sconosciuti ci aspettano? Vogliamo svelarvelo?
