[論文レビュー] Quantisation and its breakdown in a Hubbard-Thouless pump

Anne-Sophie Walter, Zijie Zhu+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、完全に調整可能な局所的相互作用を有する超低温原子系で、ハッブル＝トゥースリー・ポンプを実験的に実現し、弱いおよび強い引力的相互作用においても、ロバストな量子化された電荷ポンピングを示した。一方、強い反発的相互作用下では相互作用に起因する崩壊が観測された。この崩壊はポンプ軌道を変更することで逆転され、引力的領域におけるペア輸送が明らかになり、相互作用するトポロジカル物質を研究するためのプラットフォームが確立された。

ABSTRACT

Geometric properties of waves and wave functions can explain the appearance of integer-valued observables throughout physics. For example, these 'topological' invariants describe the plateaux observed in the quantised Hall effect and the pumped charge in its dynamic analogon, the Thouless pump. However, the presence of interparticle interactions can profoundly affect the topology of a material, invalidating the idealised formulation in terms of Bloch waves. Despite pioneering experiments in solid state systems, photonic waveguides, and optical lattices, the study of topological insulators under variation of inter-particle interactions has proven challenging. Here, we experimentally realise a topological Thouless pump with tuneable Hubbard interactions in an optical lattice and observe regimes with robust pumping, as well as an interaction-induced breakdown. We confirm the pump's robustness against interactions that are smaller than the protecting gap, which holds true for both repulsive and attractive Hubbard $U$. Furthermore, we identify that bound pairs of fermions are responsible for quantised transport at strongly attractive $U$, supported by measurements of pair fraction and adiabaticity. For strong repulsive interactions, on the contrary, topological pumping breaks down. Yet, we can reinstate quantised pumping by modifying the pump trajectory while starting from the same initial state. Our experiments pave the way for investigating interacting topological insulators, including edge effects and interaction-induced topological phases.

研究の動機と目的

• 多数体量子系における調整可能な局所的相互作用の存在下でのトポロジカルポンピングのロバスト性を調査すること。
• 強い反発的相互作用下での量子化ポンピングの崩壊の原因を特定し、その回復方法を同定すること。
• 強い引力的相互作用下で量子化輸送を可能にするフェルミ粒子ペアの役割を同定すること。
• 超低温量子ガスにおける相互作用するトポロジカル相およびエッジ効果を研究するための制御可能なプラットフォームを構築すること。

提案手法

• 位相制御された定常波と走行波成分を用いて動的に調整可能なスーパーラティスを実現し、周期的に駆動されるライス＝メレハミルトニアンを模擬する。
• 磁場による調整により相互作用強度を制御可能な超低温フェルミ原子を光学格子に用い、ハッブル＝トゥースリー・ポンプを模擬する。
• 複数サイクルにわたる重心の移動量とポンピング効率を測定し、量子化および断熱性を評価する。
• 強い引力的領域におけるペア形成を調べるため、半周期にわたる二重占有率の定量的測定を実施する。
• 中間の深いチェッカーボードポテンシャルを用いた改良された格子への導入スキームを採用し、初期状態の準備を向上させ、加熱を低減する。
• 密度行列ランク縮小法（DMRG）シミュレーションを用いて系の挙動をモデル化し、実験データと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 調整可能なハッブル相互作用強度は、トゥースリー・ポンプにおける電荷ポンピングの量子化にどのように影響するか？
• RQ2 強い反発的相互作用下でトポロジカルポンピングが崩壊する原因は何か？ また、その回復は可能か？
• RQ3 強い引力的領域における量子化輸送を可能にするフェルミ粒子ペアの役割は何か？
• RQ4 有限サイズ効果および断熱性は、覂いのポンピング効率にどのように影響するか？
• RQ5 不完全な二重占有率検出などの実験的不確実性が、測定されたポンピング挙動に及ぼす影響はどの程度か？

主な発見

• 弱い相互作用および強い引力的相互作用下でも、量子化ポンピングはロバストであり、|U| = 9.2t までポンピング効率がほぼ量子化されたままであった。
• 強い反発的相互作用（U > 0）下では、トポロジカルポンピングが完全に崩壊し、重心の移動量が著しく減少した。
• 強い反発的相互作用下での崩壊は、ポンプ軌道を変更することで逆転され、同じ初期状態から再び量子化輸送が回復した。
• 強い引力的領域では、二重占有率が約0.7に達し、サイクル全体にわたって最小限の変動を示した。これは、コherentなペア輸送を示している。
• 引力的領域では断熱性が維持されており、T = 36.5ħ/t でさえも測定されたポンピング効率は高く維持された。
• 改良されたローディングスキームにより、エネルギーギャップが2倍に拡大し、高エネルギー帯への励起が低減され、引力的領域での信号が強化された。