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Quantensimulation: Chirale Spinflüssigkeiten und nicht-abelsche Anyonen

23.05.2023

Neue Studie zeigt Weg zur Untersuchung chiraler Spinflüssigkeiten auf.

Chirale Spinflüssigkeiten sind eine der faszinierendsten Materiephasen. Diese exotischen Flüssigkeiten zeigen quasi-teilchenartige Anregungen, bekannt als nicht-abelsche Anyonen, die weder Bosonen noch Fermionen sind. Ihre Manipulation könnte die Verwirklichung eines universellen Quantencomputers ermöglichen. Trotz intensiver Bemühungen in der Festkörperphysik stellt die Entdeckung einer solchen Phase in der Natur nach wie vor eine außergewöhnliche Herausforderung dar. Eine neue Studie im Fachmagazin PRX Quantum, an der auch die LMU-Professorin Monika Aidelsburger beteiligt ist, schlägt nun eine Methode vor, mit der man diese Materiephase in einem Quantensimulator experimentell untersuchen könnte.

Aus theoretischer Sicht treten chirale Spinflüssigkeiten in einem einfachen Modell, dem sogenannten Kitaev-Modell auf, mit dem man ihre Eigenschaften mit analytischen Methoden untersuchen kann. Die in der Veröffentlichung beschriebenen Fortschritte im Design von Quantensimulatoren eröffnen nun einen möglichen Weg zur ersten realistischen Umsetzung des ursprünglichen Kitaev-Modells. Sie deuten darauf hin, dass chirale Spinflüssigkeiten (einschließlich ihrer exotischen quasi-teilchenartigen Anregungen) in einer hochkontrollierten experimentellen Umgebung untersucht und manipuliert werden können.

Die Autoren beschreiben praktische Methoden um die beeindruckenden Eigenschaften dieser exotischen Zustände zu untersuchen. Insbesondere enthüllen ihre Methoden eindeutig den topologischen Wärmestrom, der am Rand des Systems fließt - ein charakteristisches Merkmal der nicht-abelschen Anionen, die am Rand von chiralen Spinflüssigkeiten entstehen.

Die Arbeit ebnet den Weg für die Quantensimulation chiraler Spinflüssigkeiten und bietet eine attraktive Alternative zu ihrer experimentellen Untersuchung in quantenmechanischen Materialien.

Bo-Ye Sun, Nathan Goldman, Monika Aidelsburger, Marin Bukov: Engineering and Probing Non-Abelian Chiral Spin Liquids Using Periodically Driven Ultracold Atoms. PRX Quantum 2023

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