[論文レビュー] Microscopy of the interacting Harper-Hofstadter model in the few-body limit

M. Eric Tai, Alexander Lukin+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2016

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、光格子中の超低温原子を用いて、ハーパー＝ホフスターダムで記述される2本の脚を持つ少数体系の2脚ラダー系において、相互作用誘発のキラルダイナミクスを示した。量子ガス顕微鏡を用いて、反発的相互作用が粒子・ホール対称性を破り、キラルエッジモードへの優先的励起を引き起こすことを観測した。これにより、高空間分解能かつ低不純度のチューナブルで実空間に配置された格子プラットフォーム上で、トポロジカルダイナミクスのマイクロスコピック制御が可能になった。

ABSTRACT

The interplay of magnetic fields and interacting particles can lead to exotic phases of matter exhibiting topological order and high degrees of spatial entanglement. While these phases were discovered in a solid-state setting, recent techniques have enabled the realization of gauge fields in systems of ultracold neutral atoms, offering a new experimental paradigm for studying these novel states of matter. This complementary platform holds promise for exploring exotic physics in fractional quantum Hall systems due to the microscopic manipulation and precision possible in cold atom systems. However, these experiments thus far have mostly explored the regime of weak interactions. Here, we show how strong interactions can modify the propagation of particles in a $2 imes N$, real-space ladder governed by the Harper-Hofstadter model. We observe inter-particle interactions affect the populating of chiral bands, giving rise to chiral dynamics whose multi-particle correlations indicate both bound and free-particle character. The novel form of interaction-induced chirality observed in these experiments demonstrates the essential ingredients for future investigations of highly entangled topological phases of many-body systems.

研究の動機と目的

• 合成ゲージ場下での有限で実空間に配置されたラダー系において、強い相互作用がキラルエッジダイナミクスに与える影響を調査すること。
• 多体相関と相互作用が、非相互作用粒子がキラル運動を示さない系においてもキラル性を誘発する仕組みを解明すること。
• 超低温原子を用いて、少数体系におけるトポロジカル相を研究するためのチューナブルで低不純度のプラットフォームを構築すること。
• 非平衡ダイナミクスと合成格子における平衡状態のトポロジカル基底状態との関係を結びつけること。
• 高分解能・1サイト分解能測定により、理論的予測である相互作用駆動のキラルバンド励起を実証すること。

提案手法

• ラマン補助トンネルを用いて、人工ゲージ場を生成し、各プラケットあたりのフラックスを調整可能な均一な人工ゲージ場を有する2×N光格子にハーパー＝ホフスターダムハミルトニアンを実現する。
• 量子ガス顕微鏡を用いて、原子密度分布および時間分解能の高い中心座標運動を1サイト分解能でリアルタイムで観測する。
• 個々のラングに粒子数と空間分布が明確に定義された多体初期状態を準備し、非平衡ダイナミクスを調べる。
• ラダーに沿った空間分解能の高い中心座標軌道を測定し、x方向とy方向の間のゲージ場由来の結合に起因するキラル運動の兆候であるシアーを検出する。
• ペイエゾエレクトリック制御によりラマンビームの波数ベクトルを調整し、合成磁束Φの精密なキャリブレーションを可能にする。
• 原子数の減少測定により加熱率を定量し、異なるフラックス条件下での系の安定性およびコherー二ス時間の評価を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 合成ゲージ場下で、少数体2脚ラダー系において強い相互作用がキラルエッジダイナミクスにどのように影響を及ぼすか？
• RQ2 非相互作用粒子が左右交換に対して対称的である系において、相互作用がキラル運動を誘発できるか？
• RQ3 相互作用の存在下で、多体相関がキラルバンドの励起に果たす役割は何か？
• RQ4 量子ガス顕微鏡を用いて、単粒子および少数体レベルでキラルダイナミクスをどれほど制御・観測できるか？
• RQ5 合成フラックスおよび相互作用強度の変化に伴い、系のコherー二ス性および加熱挙動はどのように変化するか？

主な発見

• 相互作用により左移動粒子と右移動粒子の対称性が破れ、非相互作用系がネットキラル性を示しても、キラルダイナミクスが誘発される。
• 粒子の伝播にシアーが観測され、運動の方向に応じてラダーの片方の脚に偏りが生じる。これは、x方向とy方向の間のローレンツ力に類似た結合を示している。
• 理論的モデリングにより、相互作用が散乱状態および束縛状態を生成し、それらの励起が観測されたキラルダイナミクスを支配することが示された。
• 1粒子の中心座標運動は理論と良好に一致しており、実験装置の低不純度および高忠実度を確認した。
• Φ=π/3における1粒子系では加熱率が無視できるほど小さく、統計誤差の範囲で真空中の限界寿命と区別がつかなかった。
• 2粒子系においても、Φ=π/3、−π/3、π/2、πのさまざまなフラックス条件下で加熱率は低く保たれ、平均で約0.015 s⁻¹の減少率を示し、少数体研究に適した良好なコherー二ス性を示した。