[論文レビュー] Observation of a symmetry-protected topological phase with ultracold fermions

Bo Song, Long Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、磁気群および非局所的チラリティ対称性によって保護される1次元光格子における対称性保護型トポロジカル（SPT）相の実験的観測を初めて報告した。トポロジーは高対称モーメンタムにおけるブロッホ状態を介して調べられ、クエンチプロトコルにおける明確な非平衡スピンダイナミクスによって明らかになった。これはトポロジー依存の緩和行動を示している。

ABSTRACT

Symmetry plays a fundamental role in understanding complex quantum matters, in particular, in classifying topological quantum phases which have attracted great interests in the recent decade. An outstanding example is the time-reversal invariant topological insulator, a symmetry-protected topological (SPT) phase in symplectic class of the Altland-Zirnbauer classification. Here, we report the first observation for ultracold atoms of a new SPT phase in a one-dimensional optical lattice, and study quench dynamics between topologically distinct phases. The observed SPT phase is protected by a magnetic group and a nonlocal chiral symmetry, with its topology being measured via Bloch states at symmetric momenta. The topology also resides in far-from-equilibrium spin dynamics, which are predicted and observed in experiment to exhibit qualitatively distinct behaviors in quenching to trivial and nontrivial phases, revealing a deep topology-dependent spin relaxation dynamics. This work opens the way to expanding the scope of SPT phases with ultracold atoms and studying non-equilibrium quantum dynamics in such exotic phases.

研究の動機と目的

• 超低温フェルミ粒子において新しい対称性保護型トポロジカル（SPT）相を実験的に実現し、その特徴を明らかにすること。
• 磁気群および非局所的チラリティ対称性が1次元系におけるトポロジカル秩序を保護する役割を調査すること。
• 対称モーメンタムにおけるブロッホ状態を用いてSPT相のトポロジーをプローブすること。
• 特に、トレivialおよび非自明な相に至るクエンチプロトコル後の非平衡ダイナミクス、特にスピン緩和を調査すること。
• 超低温原子系におけるトポロジカル不変量と非平衡量子ダイナミクスとの間の関係を確立すること。

提案手法

• SPT相を実現する1次元光格子を、超低温フェルミ粒子で構築すること。
• 磁気群および非局所的チラリティ対称性を持つハミルトニアンを設計し、トポロジカル相を保護すること。
• 高対称モーメンタムにおけるブロッホ状態から抽出したザック位相を用いてトポロジーを測定すること。
• 系のパラメータを急激に変化させることでクエンチダイナミクスを実行し、トレivialおよび非自明な相にアクセスすること。
• 時間分解スピンダイナミクスをモニタリングし、トポロジー依存の緩和行動を検出すること。
• 実験的検出技術を用いて、トレivial相と非自明相におけるスピン緩和の定性的な差を観測すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1次元光格子内の超低温フェルミ粒子において、新しい対称性保護型トポロジカル相を実現し、観測することは可能か？
• RQ2 磁気群および非局所的チラリティ対称性が、この系におけるトポロジカル秩序をどのように共同で保護するか？
• RQ3 対称モーメンタムにおけるブロッホ状態を用いて、SPT相のトポロジーを信頼性高く測定できるか？
• RQ4 クエンチ後の非平衡スピンダイナミクスに、トポロジーの兆候として現れる特徴は何か？
• RQ5 トレivialおよび非自明なトポロジカル相におけるスピン自由度の緩和ダイナミクスは、どのように異なるか？

主な発見

• 実験により、磁気群および非局所的チラリティ対称性によって保護される、超低温フェルミ粒子における対称性保護型トポロジカル相が成功裏に観測された。
• 高対称モーメンタムにおけるブロッホ状態の測定により、非自明なザック位相が確認され、トポロジーが裏付けられた。
• クエンチダイナミクスにより、トレivial相と非自明相におけるスピン緩和行動が顕著に異なることが明らかになった。
• 観測されたスピンダイナミクスは、トポロジー依存の緩和を示し、両相における減衰パターンの明確な差が観察された。
• この結果により、超低温原子系における非平衡ダイナミクスを用いてトポロジカル不変量をプローブできることが示された。
• 本研究は、制御可能な超低温原子系を用いた、非自明なSPT相および非平衡量子ダイナミクスの研究の基盤を確立した。