Artículo seleccionado como artículo destacado del GEFES en la convocatoria correspondiente a artículos publicados entre julio y septiembre de 2019.
Simulation of 1D Topological Phases in Driven Quantum Dot Arrays
Physical Review Letters 123, 126401 (2019)
Beatriz Pérez-González, Miguel Bello, Gloria Platero, and Álvaro Gómez-León
Entender y controlar propiedades cuánticas ya no es solo una cuestión de interés puramente académico, sino que tiene profundas implicaciones tecnológicas. Manipular, detectar y aislar sistemas cuánticos como átomos, fotones o electrones, se ha convertido en un hito fundamental en la realización de las llamadas tecnologías cuánticas, basadas en la aplicación de los principios de la mecánica cuántica en la codificación, transferencia o procesado de la información. El concepto fue articulado por primera vez en 1982 por Richard Feynman bajo el nombre de “simulador cuántico”, un sistema propiamente cuántico diseñado y operado para simular las propiedades de otro sistema de interés. En los últimos años, la evidencia experimental ha puesto de manifiesto que esta proeza no sólo es posible, sino que incluso se pueden llegar a plantear objetivos más ambiciosos, como el desarrollo de un ordenador cuántico universal.
Una de las plataformas de estado sólido más prometedoras son los puntos cuánticos, estructuras en la nanoescala que confinan electrones en las tres dimensiones gracias a potenciales electrostáticos. También conocidos como “átomos artificiales”, los puntos cuánticos permiten un alto grado de control individual así como escalabilidad gracias a la posibilidad de acoplo entre ellos mediante potenciales adicionales, tal y como se ha demostrado recientemente.
En este contexto se inscribe nuestro trabajo, que propone un protocolo para simular una gran variedad de sistemas cuánticos a partir de cadenas de puntos cuánticos. El control de sus propiedades se consigue mediante campos externos que oscilan periódicamente. Esta técnica, conocida como ingeniería de Floquet, permite explorar configuraciones atípicas del sistema o generar nuevas fases propias de los sistemas fuera del equilibrio. En contraposición al enfoque más tradicional de ingeniería Floquet, que considera un campo externo sinusoidal aplicado sobre la muestra, nuestro protocolo se basa en potenciales locales que oscilando conjuntamente a través de pulsos cuadrados permiten generar cualquier patrón espacial de acoplo, renormalizando los valores iniciales de manera individual. Esto permite, por ejemplo, implementar diferentes simetrías en el sistema o conseguir la destrucción coherente de acoplos indeseados. En particular, son las diferencias de potencial entre distintos puntos cuánticos lo que determina el valor final del acoplo entre ellos, con lo que este grado de control se hace extensible incluso a puntos cuánticos no adyacentes, algo fuera del alcance de otros protocolos.
Entre todos los sistemas que pueden simularse con el método presentado, el artículo se centra en fases topológicas unidimensionales. La topología es una propiedad matemática, subyacente a la estructura electrónica de los materiales, y que da lugar a fenómenos exóticos. Por ejemplo, en aislantes con topología no trivial podemos encontrar estados de borde conductores que son robustos frente a perturbaciones locales, algo fundamental en el frágil mundo cuántico, donde la interacción con el medio provoca pérdida de información en los estados (decoherencia). Esto, por supuesto, tiene claras aplicaciones en el desarrollo de tecnologías cuánticas, como la transferencia directa de carga entre los extremos del sistema a través de canales topológicamente protegidos. Aprovechando las características de nuestro protocolo, podemos simular un modelo paradigmático de aislante topológico, el modelo SSH, que además incluye la presencia de acoplos a largo alcance. Controlar dichos acoplos y poder acentuarlos por encima de los que aparecen entre puntos cuánticos vecinos, a la par que se implementan las simetrías pertinentes, nos permite explorar fases topológicas no contempladas en el modelo SSH original, caracterizadas por la presencia de estados de borde adicionales.
Izquierda: Mapa de fase topológico en función del parámetro α/ω, que define la configuración de potenciales locales del protocolo, y λ, que determina el valor inicial de los acoplos entre puntos cuánticos suponiendo un decaimiento exponencial de los mismos. Cada calor corresponde con una fase topológica diferente, con distinto número de estados de borde protegidos topológicamente. Derecha: estructura de bandas electrónica para una cadena de 12 puntos cuánticos con acoplos entre puntos cuánticos que comprenden hasta terceros vecinos, en función del parámetro α/ω.