[論文レビュー] Realizing Su-Schrieffer-Heeger topological edge states in Rydberg-atom synthetic dimensions

S. K. Kanungo, J. D. Whalen+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、ミリ波場によって結合されるRydberg準位を用いて、超低温84Sr原子における合成次元を実現し、調整可能なトンネルおよび局所ポテンシャルを有するSu-Schrieffer-Heeger (SSH)モデルを実現した。バンドギャップ内にゼロエネルギーでのトポロジカル的エッジ状態が出現し、光学励起によって確認され、 chirality対称性を保つ摂動に対して頑健であることが示され、トポロジカル量子物質をシミュレートするためのプラットフォームとしての有効性が裏付けられた。

ABSTRACT

We demonstrate a platform for synthetic dimensions based on coupled Rydberg levels in ultracold atoms, and we implement the single-particle Su-Schrieffer-Heeger (SSH) Hamiltonian. Rydberg levels are interpreted as synthetic lattice sites, with tunneling introduced through resonant millimeter-wave couplings. Tunneling amplitudes are controlled through the millimeter-wave amplitudes, and on-site potentials are controlled through detunings of the millimeter waves from resonance. Using alternating weak and strong tunneling with weak tunneling to edge lattice sites, we attain a configuration with symmetry-protected topological edge states. The band structure is probed through optical excitation to the Rydberg levels from the ground state, which reveals topological edge states at zero energy. We verify that edge-state energies are robust to perturbation of tunneling-rates, which preserves chiral symmetry, but can be shifted by the introduction of on-site potentials.

研究の動機と目的

• 超低温84Sr原子のRydberg準位を用いて、チューニング可能なトンネルおよび局所ポテンシャルを有する合成次元を構築し、トポロジカル相の量子シミュレーションを実現すること。
• 共鳴的ミリ波結合を用いて、調整可能なトンネルおよび局所ポテンシャルを有するSu-Schrieffer-Heeger (SSH)ハミルトニアンを実装すること。
• 合成1次元格子におけるスピン対称性保護されたトポロジカル的エッジ状態を観測し、摂動に対するその頑健性を検証すること。

提案手法

• 84SrのRydberg準位（nsおよびnp状態）を合成格子サイトとして用い、共鳴に近いミリ波場によってトンネルを誘起する。
• トンネル幅はミリ波Rabi周波数によって制御され、局所ポテンシャルは共鳴からのデチューニングによって調整される。
• 交互に弱いおよび強いトンネルを有するSSHモデルを実現し、エッジサイト同士を弱いトンネルで結合させることで、トポロジカル的エッジ状態を誘導する。
• バンド構造および固有状態の占有数は、Rydberg準位への光学励起によりプローブされ、空間的に分解能のある蛍光イメージング（SFI）を用いてサイト別に検出される。
• トンネル率および局所ポテンシャルに対する摂動を加えることで、チラリティ対称性およびエッジ状態の頑健性をテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超低温原子のRydberg準位を用いて、チューニング可能なトンネルおよび局所ポテンシャルを有する合成次元を実現できるか？
• RQ2 合成1次元格子における交互なトンネルを有するSSHモデルは、トポロジカル的に保護されたエッジ状態を支持するか？
• RQ3 これらのエッジ状態のエネルギーは、チラリティ対称性を保つ摂動に対して頑健か？
• RQ4 局所ポテンシャルのシフトがエッジ状態のエネルギーに与える影響は何か？また、局所化のプローブに利用可能か？
• RQ5 このプラットフォームは個々の格子サイトの占有数を解像可能であり、エッジ状態の局所化を確認できるか？

主な発見

• 6サイトSSHモデルのバンドギャップ内にゼロエネルギーでのトポロジカル的エッジ状態が、光学励起スペクトルによって確認された。
• トンネル率がチラリティ対称性を保つ形で不均衡にされた場合、エッジ状態エネルギーはゼロのまま維持され、その頑健性が示された。
• ミリ波結合をi=1（57s）サイトにデチューニングすることでチラリティ対称性を破ると、エッジ状態エネルギーはデチューニング量と等しい量だけシフトした。
• i=1結合がデチューニングされても、i=6（59p）サイトに局在化した直交エッジ状態は影響を受けず、サイト特異的な局在化が確認された。
• 2サイト分解能を有する空間的に分解能のある蛍光イメージング（SFI）により、固有状態の分解および格子固有状態の占有数の妥当性が確認された。