[論文レビュー] Observation of a dynamical topological phase transition

Nick Fläschner, Dominik Vogel+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2016

Quantum many-body systems参考文献 31被引用数 149

ひとこと要約

この論文は、クエンチ後のフェルミオン多体状態における動的相転移を、超冷却原子の時間分解状態トモグラフィーを用いて逆格子空間の渦を追跡することで初めて観測した。動的トポロジー秩序パラメータとして扱う。

ABSTRACT

Phase transitions are a fundamental concept in science describing diverse phenomena ranging from, e.g., the freezing of water to Bose-Einstein condensation. While the concept is well-established in equilibrium, similarly fundamental concepts for systems far from equilibrium are just being explored, such as the recently introduced dynamical phase transition (DPT). Here we report on the first observation of a DPT in the dynamics of a fermionic many-body state after a quench between two lattice Hamiltonians. With time-resolved state tomography in a system of ultracold atoms in optical lattices, we obtain full access to the evolution of the wave function. We observe the appearance, movement, and annihilation of vortices in reciprocal space. We identify their number as a dynamical topological order parameter, which suddenly changes its value at the critical times of the DPT. Our observation of a DPT is an important step towards a more comprehensive understanding of non-equilibrium dynamics in general.

研究の動機と目的

• 非平衡ダイナミクスを平衡相転移を超えて研究する動機付け。
• フェルミオン多体系における動的相転移 (DPT) の実験的観測を実証する。
• 逆空間における渦の数と運動が動的トポロジー秩序パラメータとして機能することを示す。
• 光学格子設定における状態トモグラフィーを通じて波動関数の進化に完全にアクセスする。

提案手法

• クエンチを二つの格子ハミルトニアン間で実施。
• 時間分解状態トモグラフィーを実行して波動関数の進化を取得。
• 逆空間での渦を動的トポロジー特徴として同定・カウント。
• 渦の出現・移動・消滅を追跡してDPTの臨界時を特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミオン多体状態の非平衡ダイナミクスにおいて動的相転移が観測できるか？
• RQ2 逆空間の渦はDPTの臨界時で変化する動的トポロジー秩序パラメータとして機能するか？
• RQ3 非平衡ダイナミクスにおいて波動関数の進化はトポロジーをどのように反映するか？

主な発見

• 渦はクエンチ後のダイナミクスで現れ、動き、消滅する。
• これらの渦の数は臨界時に変化する動的トポロジー秩序パラメータとして機能する。
• 非平衡量子系における動的相転移の実験的証拠を提供する。