[論文レビュー] Creating quantum many-body scars through topological pumping of a 1D dipolar gas

Wil Kao, Kuan-Yu Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、ジスプロシウム原子の1次元双極子ボーズ・アトム系において、接触相互作用を閉じ込め誘起共鳴を通じて周期的に調整することで、位相的ポンピングプロトコルを実装し、量子多体スカーステートの階層を生成することを示した。長距離双極子相互作用の安定化作用を活用しながら、接触相互作用を周期的に変調することで、系は量子ホロノミーを実現し、固有状態をエネルギー準位上にポンピングする。特に、準安定なスーパートンズ＝ギラールド状態が主要なスカーステートとして機能し、複数回のホロノミー周期にわたる剛性およびエネルギー密度の測定により実験的に裏付けられた。

ABSTRACT

Quantum many-body scars, long-lived excited states of correlated quantum chaotic systems that evade thermalization, are of great fundamental and technological interest. We create novel scar states in a bosonic 1D quantum gas of dysprosium by stabilizing a super-Tonks-Girardeau gas against collapse and thermalization with repulsive long-range dipolar interactions. Stiffness and energy density measurements show that the system is dynamically stable regardless of contact interaction strength. This enables us to cycle contact interactions from weakly to strongly repulsive, then strongly attractive, and finally weakly attractive. We show that this cycle is an energy-space topological pump (due to a quantum holonomy). Iterating this cycle offers an unexplored topological pumping method to create a hierarchy of quantum many-body scar states.

研究の動機と目的

• 連続的かつ格子なしの系において、量子多体スカーステートの階層を生成する新しい位相的ポンピングメカニズムを実証すること。
• 強い引力的接触相互作用下でも、1次元双極子ボーズ・アトム系におけるスーパートンズ＝ギラールド状態を安定化させ、接触相互作用の周期的調整を可能にすること。
• 短距離相互作用のみでは達成できない範囲で、双極子相互作用がスーパートンズ＝ギラールド状態の安定性を向上させることを示すこと。
• ホロノミー周期にわたる剛性およびエネルギー密度の測定を通じて、非熱的で長寿命の励起状態（スカーステート）の存在を実験的に検証すること。

提案手法

• 外部磁場を用いて相互作用の強さと符号を制御することで、ジスプロシウム原子の1次元双極子系において、2つの閉じ込め誘起共鳴（CIRs）を通じて1次元接触相互作用を周期的に調整する。
• 長距離双極子相互作用を活用して、強い引力的状態でも系の崩壊を防ぎ、弱い反発的から強い引力的へ、再び元に戻る完全な相互作用調整サイクルを実現する。
• 系のハミルトニアンが1周期後に元の形に戻るが、多体状態がより高いエネルギー固有状態にポンピングされる量子ホロノミーを実現するプロトコルを実装する。
• 剛性（R）とエネルギー密度（E/N）を測定し、熱的状態と非熱的状態を区別する。非熱的挙動がスカーステートの存在を示唆する。
• 実験データと理論的モデリング（ベーテアンツァスの予測および正則化された1次元双極子-双極子相互作用補正）を併用して結果を検証する。
• 磁場の角度（θ = 0°, 55°, 90°）を変化させることで双極子相互作用の効果を分離し、スカーステートの強靭性が異なるDID強度下でも保たれることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連続的かつ格子なしの1次元量子多体系において、位相的ポンピングプロトコルを実装し、量子多体スカーステートの階層を生成できるか？
• RQ2 長距離双極子相互作用が、強い引力的接触相互作用下の1次元双極子ボーズ・アトム系におけるスーパートンズ＝ギラールド状態を安定化させ、完全な周期的相互作用調整を可能にするか？
• RQ3 双極子相互作用が閉じ込め誘起共鳴（CIRs）の位置や性質をどの程度変更するか。また、分子結合エネルギーに測定可能なシフトが生じるか？
• RQ4 強い相関のある量子ガスにおいて、非熱的で長寿命の励起状態（スカーステート）をどのように実験的に同定し、熱的状態と区別できるか？
• RQ5 量子ホロノミーが、可解でない系において多体固有状態をエネルギー空間へポンピングする際に果たす役割は何か？

主な発見

• 双極子相互作用のおかげで、すべての相互作用領域（強く反発的および引力的）で動的安定性を示した。
• 引力的領域においてもスーパートンズ＝ギラールド（sTG）状態が安定化され、剛性およびエネルギー密度の測定によりその非熱的性質が確認された。
• ホロノミー周期にわたる剛性測定（R）はベーテアンツァスの予測と良好に一致し、スカーステートの存在を裏付けた。
• 双極子相互作用強度（θ = 0°, 55°, 90°）の変化に対しても、系の挙動は安定しており、双極子補正によるRのわずかなシフトのみが観察され、理論モデルと整合的であった。
• 実験的分解能の範囲内で、閉じ込め誘起共鳴（CIRs）の位置に顕著なシフトは観測されず、双極子相互作用強度の変化に対しても安定であった。
• 本プロトコルは、これまで観測されていなかった形式の位相的ポンピングを実現した——量子ホロノミーによるエネルギー空間へのポンピングであり、各サイクル後に固有状態がより高いエネルギー状態にポンピングされ、スカーステートの階層が形成された。