[論文レビュー] Evidence for Many-Body Localization in an Ultracold Fermi-Hubbard Gas

Stanimir Kondov, William McGehee+2 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2013

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、不規則な光学ラティスに閉じ込められた強い相互作用を示す超低温フェルミハーバード系において、多体局在化（MBL）の実験的証拠を提供する。熱化が生じない状況での質量輸送を測定することで、相互作用に起因する脱局在化と、温度上昇に対しても安定した局在化が観測され、閉じた量子系としてのMBLが非ゼロ温度でも安定した相であることが確認された。

ABSTRACT

We observe the emergence of a disorder-induced insulating state in a strongly interacting atomic Fermi gas trapped in an optical lattice. This closed quantum system free of a thermal reservoir realizes the disordered Fermi-Hubbard model, which is a minimal model for strongly correlated electronic solids. In measurements of disorder-induced localization obtained via mass transport, we detect interaction-driven delocalization and localization that persists as the temperature of the gas is raised. These behaviors are consistent with many-body localization, which is a novel paradigm for understanding localization in interacting quantum systems at non-zero temperature.

研究の動機と目的

• 不規則性と相互作用の下で強い相関する量子系における局在化の安定性を調査すること。
• 閉じた量子系に熱浴が存在しない状況でも多体局在化が持続可能かどうかを特定すること。
• 超低温原子系における熱化の抑制に寄与する相互作用と不規則性の相互作用を観測すること。
• 強い相関電子の最小モデルにおける脱局在化と局在化の相転移を調査すること。

提案手法

• 制御された不規則性を有する三次元光学ラティス内の超低温フェルミ粒子系を用いて、不規則なフェルミハーバード模型を実現すること。
• 空間的に不均一なポテンシャルを適用し、質量輸送を誘発させ、局在化ダイナミクスを調べること。
• 局所的摂動への反応を測定することで、熱的挙動と局在的挙動を区別すること。
• 温度を上昇させた状態での系の時間発展をモニタリングし、局在化の安定性をテストすること。
• タイム・オブ・フライト像法とイン・サイト密度測定を用いて、輸送および局在化特性を抽出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱浴が存在しない強相関閉じた量子系において、多体局在化を観測できるか？
• RQ2 不規則性が存在する中で、相互作用が局在化の安定性にどのように影響するか？
• RQ3 系の温度が上昇しても局在化が持続するか。これは有限エネルギーにおける非エルゴード的相を示唆するか？
• RQ4 超低温原子系において、多体局在化挙動と熱化を区別する兆候は何か？

主な発見

• 系は不規則性に起因する絶縁状態を示し、温度上昇に対してもその状態が維持され、熱化の抑制が確認された。
• 相互作用に起因する脱局在化が観測され、相関が局在化挙動を変化させる役割を果たすことが示された。
• 輸送測定において頑健な局在化が検出され、多体局在化相の出現と整合的であった。
• 長時間スケールで熱化が観測されないことは、非ゼロ温度でも系が非エルゴード的・局在的状態に留まっていることを確認した。