[論文レビュー] Realization of anomalous Floquet topological phases with ultracold atoms

Karen Wintersperger, Christoph Braun+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2020

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、周期的に駆動されるヘキサゴナル光格子内の超低温ボソン原子を用いて、異常フロケトポロジカル相の実験的実現を示している。エネルギー準位ギャップと局所的ホール歪みの測定を通じて、著者らはトポロジカル不変量の完全な集合を抽出した—ゼロのチーン数にもかかわらず、強固なキラルエッジモードが存在することを明らかにした。これにより、非自明な異常フロケ系の完全なトポロジカル特徴付けが確立された。

ABSTRACT

Coherent control via periodic modulation, also known as Floquet engineering, has emerged as a powerful experimental method for the realization of novel quantum systems with exotic properties. In particular, it has been employed to study topological phenomena in a variety of different platforms. In driven systems, the topological properties of the quasienergy bands can often be determined by standard topological invariants, such as Chern numbers, which are commonly used in static systems. However, due to the periodic nature of the quasienergy spectrum, this topological description is incomplete and new invariants are required to fully capture the topological properties. Most prominently, there exist two-dimensional anomalous Floquet systems that exhibit robust chiral edge modes, despite all Chern numbers are equal to zero. Here, we realize such a system with bosonic atoms in a periodically-driven hexagonal lattice and infer the complete set of topological invariants from energy gap measurements and local Hall deflections.

研究の動機と目的

• 周期的に駆動されるヘキサゴナル格子内の超低温ボソン原子を用いて、2次元の異常フロケトポロジカル相を実験的に実現すること。
• 周期的駆動系における標準的トポロジカル不変量（チーン数）の限界を克服すること。
• チーン数を超える完全な不変量のセットを用いて、異常フロケ系のトポロジカル性質を完全に特徴付けること。
• ゼロのチーン数を示す系においても、キラルエッジモードの存在を直接実験的に観測することによる確認。

提案手法

• 超低温ボソン原子の時間周期的ハミルトニアンを設計するために、周期的に駆動されるヘキサゴナル光格子を用いる。
• 準エネルギー準位スペクトルのギャップを測定して、トポロジカル相転移を調べる。
• 原子波束の局所的ホール歪みを観測して、キラルエッジモードを検出する。
• エネルギーギャップとホール応答データの組み合わせから、トポロジカル不変量の完全な集合を推定する。
• チーン数を超えるトポロジカル分類を拡張する理論的枠組みを適用して、異常フロケ系を記述する。
• 周期的変調（フロケ工学）によるコherent制御を用いて、静的系では実現できないエキゾチックなトポロジカル状態にアクセスする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チーン数がゼロで、かつ強固なキラルエッジモードを示す異常フロケトポロジカル相が、超低温原子系で実験的に実現可能か。
• RQ2 チーン数を超えるトポロジカル不変量のセットとして、異常フロケ系のトポロジカル性質を完全に特徴付けるのはどの不変量か。
• RQ3 チーン数がゼロの系において、キラルエッジモードの存在をどのように実験的に検証できるか。
• RQ4 エネルギーギャップ測定とホール歪み信号を組み合わせることで、駆動系におけるトポロジカル不変量構造をどの程度正確に再構成できるか。
• RQ5 フロケ工学を用いて、従来のトポロジカル不変量が存在しない状況でも、非自明なエッジ輸送を示すトポロジカル相を実現・探索できるか。

主な発見

• 実験は、チーン数がすべてゼロであるにもかかわらず、強固なキラルエッジモードを示す2次元の異常フロケトポロジカル相を成功裏に実現した。
• エネルギーギャップと局所的ホール歪みの測定を組み合わせることで、トポロジカル不変量の完全な集合が推定された。
• 局所的ホール歪みは、非ゼロのチーン数が存在しない状況下でも、キラルエッジモードの直接的実験的証拠を提供した。
• エネルギーギャップ測定により、トポロジカル相転移および非自明なトポロジカル相の存在が確認された。
• 結果として、駆動系におけるトポロジカル特徴付けにはチーン数を超える不変量が必要であることが示され、理論的予測が裏付けられた。
• 本研究は、超低温原子を用いて異常フロケ系におけるトポロジカル不変量を実験的にアクセス・検証するプロトコルを確立した。