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Ordem topológica protegida pela simetria: por que ela muda nossa compreensão da matéria?
Na pesquisa de fases em física, a ordem topológica protegida por simetria (SPT) é um novo estado da matéria que não apenas tem propriedades especiais no nível da mecânica quântica, mas também tem um impacto profundo em nossa compreensão da natureza da matéria. . Este estado envolve algumas simetrias e diferenças de energia finita em sistemas mecânicos quânticos de temperatura zero. De uma perspectiva macroscópica, a ordem SPT demonstra como diferentes estados da matéria podem ser distinguidos mantendo a simetria, enquanto esses estados não podem ser continuamente deformados sem passar por transições de fase.
O estado SPT é um estado emaranhado de curto alcance com simetria, o que contrasta fortemente com a ordem topológica emaranhada de longo alcance.
As sequências protegidas por essas simetrias permanecem relativamente estáveis mesmo em substâncias diferentes. Essa proteção promove a relação dialética entre estados SPT e outros tipos de ordem topológica, tanto em sistemas bosônicos quanto fermiônicos. Para muitos físicos, a descoberta da ordem SPT não é apenas um desafio às teorias existentes, mas também uma janela para abrir novos estados da matéria.
Para certos estados SPT não triviais, a teoria efetiva em sua fronteira sempre tem anomalias de gauge puras ou anomalias mistas de gauge-gravidade. Isso faz com que os limites dos estados SPT sejam sem lacunas ou degenerados e, portanto, bastante intrigantes em termos da estrutura da matéria.
Um estado SPT não trivial não pode ter uma fronteira não degenerada com lacunas, o que nos dá uma compreensão completamente nova do comportamento da fronteira da matéria.
A ordem SPT aparece em muitos fenômenos físicos bem conhecidos, como a fase de Haldane e isolantes topológicos fermiônicos não interativos. Esses exemplos não apenas demonstram a diversidade desses estados, mas também motivam os pesquisadores a buscar novas realizações físicas. Essas descobertas significam que temos maneiras mais concretas de entender e explorar estados quânticos.
Além disso, a distinção entre estados SPT e ordem topológica (intrínseca) é que esta última envolve emaranhamento de longo alcance e geralmente é capaz de manter a estabilidade de seus limites na ausência de perturbações locais. Por exemplo, na ordem topológica intrínseca, as excitações nos limites são protegidas topologicamente, enquanto na ordem SPT a simetria precisa ser preservada para manter essa estabilidade.
Na ordem SPT, vemos que as excitações nas fronteiras são meramente artefatos de proteção de simetria, em vez de estruturas caras decorrentes da topologia verdadeira.
Além disso, defeitos moleculares hospedam propriedades estatísticas não triviais e números quânticos fracionários em estados SPT bidimensionais não triviais, que, entre outras coisas, permitem o surgimento de novos conceitos de materiais quânticos. Esses defeitos quânticos não apenas exibem comportamentos complexos relacionados à simetria, mas também são elementos indispensáveis para estudar a ordem SPT.
Em teoria, a compreensão da ordem topológica protegida por simetria também pode ser inspirada pela teoria conforme de grupo. Usando o conceito de emaranhamento quântico, podemos dividir todas as fases de temperatura zero com intervalo em duas categorias: fases emaranhadas de longo alcance (com ordem topológica intrínseca) e fases emaranhadas de curto alcance (sem ordem topológica intrínseca). Essa classificação ajuda os físicos a identificar com mais precisão as propriedades e o potencial de aplicação de vários tipos de materiais quânticos.
A teoria da homologia de grupos fornece uma ferramenta poderosa para a classificação de fases SPT, ajudando-nos a entender sistematicamente os diferentes estados da matéria quântica.
No futuro, por meio de uma compreensão mais profunda dos estados SPT, os cientistas serão capazes de prever novos estados quânticos da matéria, como isolantes topológicos bosônicos e supercondutores topológicos, que podem mudar toda a nossa compreensão da matéria, especialmente aplicações em campos como como ciência dos materiais e computação quântica. Claro, isso também significa que ainda precisamos explorar mais possibilidades para mudar completamente nossa visão da matéria.
O estudo da sequência SPT não é apenas um tópico de fronteira importante na física, mas também a pedra angular para que possamos entender e moldar a tecnologia futura e, assim, entender melhor a natureza e as leis do universo. Então, quantos fenômenos físicos desconhecidos estão esperando por nós? Vamos revelá-lo?
