[論文レビュー] Flux-dependent localisation in a disordered flat-band lattice

Fangzhao Alex An, Η. Meier+1 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2017

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、合成運動量空間格子内の超低温原子を用いて、初めて不規則なフラットバンド格子の量子シミュレーションを実現した。多距離トンネルと合成磁場フラックスを用いてジグザグ構造を設計し、フラックス依存の局在化とほぼフラットな四次バンドにおける移動度端を明らかにした。これは、 frustrated な量子系におけるトポロジー、不規則性、および顕在する多体現象の直接的な関連を確立した。

ABSTRACT

Physical systems with high ground state degeneracy, such as electrons in large magnetic fields [1, 2] and geometrically frustrated spins [3], provide a rich playground for exploring emergent many-body phenomena. Quantum simulations with cold atoms offer new prospects for exploring complex phases arising from frustration and interactions [4-7] through the direct engineering of these ingredients in a well-controlled environment [8, 9]. Advances in band structure engineering, through the use of sophisticated lattice potentials made from interfering lasers, have allowed for explorations of kagome [10] and Lieb [11] lattice structures that support high-degeneracy excited energy bands. The use of internal states as synthetic dimensions [12] offers even greater flexibility in creating nontrivial band structures [13-17]. Here, using synthetic lattices based on laser-coupled atomic momentum states, we perform the first exploration of high-degeneracy ground bands in a cold atom system. By combining nearest- and next-nearest-neighbour tunnellings, we form an effective zigzag lattice that naturally supports kinetic frustration and nearly-flat quartic energy bands. In a quartic band structure with time-reversal symmetry (TRS) broken by a synthetic magnetic flux, the quench dynamics of our atoms reveal hallmark signatures of spin-momentum locking. Under preserved TRS, we demonstrate the extreme sensitivity of a nearly-flat ground band to added disorder. Furthermore, we show that the ground state localisation properties are strongly modified by an added flux, relating to a flux-dependent mobility edge due to multi-range tunnelling. Our work constitutes the first quantum simulation study on the interplay of topology and disorder [18], and opens the door to studying emergent phenomena driven by frustrated kinetics and atomic interactions

研究の動機と目的

• 超低温原子を用いて、トポロジー、不規則性、フラットバンドの相互作用を量子系で探求すること。
• 運動量空間における合成格子を用いて、運動エネルギーのフラストレーションを引き起こす高デゲネラシーな基底バンドを設計すること。
• 合成磁場フラックスが不規則性下での局在化に与える影響を調査すること。
• 多距離トンネルを有する系において、フラックス依存の移動度端が存在することを実証すること。
• フラストレーションした運動エネルギーと相互作用から生じる顕在する多体現象を制御された量子シミュレーションで研究するためのプラットフォームを提供すること。

提案手法

• レーザー結合による原子運動量状態を用いて、有効な近接および第二近隣近接トンネルを有する合成格子を構築する。
• 高デゲネラシーを有するほぼフラットな四次エネルギー帯を支持する有効なジグザグ格子構造を設計する。
• 時間反転対称性を破るための合成磁場フラックスを導入し、トポロジカル効果を調べる。
• クイエンチ動的測定を用いて、フラックス存在下でのスピン運動量ロックインの兆候を観測する。
• 不規則性を導入し、その影響が基底状態の局在化に与える影響を調査する。同時に、可変なフラックスによって移動度を制御可能にする。
• 時間分解測定を用いて、原子密度のダイナミクスを追跡し、局在化特性を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 合成磁場フラックスは、不規則性下でのほぼフラットバンドにおける局在化にどのように影響するか？
• RQ2 多距離トンネルがフラットバンド系においてフラックス依存の移動度端を生じさせるか？
• RQ3 時間反転対称性が破られたフラットバンドにおいて、スピン運動量ロックインの兆候はどのように現れるか？
• RQ4 不規則性は高デゲネラシーな四次バンドの基底状態にどのように影響するか？
• RQ5 合成格子プラットフォームは、制御された量子シミュレーションにおいてトポロジー、フラストレーション、不規則性の相互作用を実現できるか？

主な発見

• クイエンチ動的測定により、合成磁場フラックスが存在する時間反転対称性が破られた領域で、明確なスピン運動量ロックインの兆候が観測された。
• 時間反転対称性が保たれる状態では、基底状態が不規則性に対して極めて敏感であり、フラットバンドにおけるアンドリュー局在化を示している。
• 合成フラックスの導入により、フラックス依存の移動度端が生じ、局在化-拡散遷移が変化した。
• 多距離トンネルにより、合成フラックスで調整可能な移動度端が出現し、局在化に対するトポロジカル制御の可能性を示した。
• 高デゲネラシーを有するほぼフラットな四次バンドが実現され、強い相関効果と顕在する量子相の生成が可能になった。
• 本研究により、制御された量子シミュレーションにおいてトポロジー、不規則性、フラストレーションの相互作用を研究する最初の実験的プラットフォームが確立された。