[論文レビュー] Single-plaquette gauge flux as a probe of topological phases on lattices

Zhi‐Kang Lin, Ying Wu+4 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 41被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、次元拡張と段差スクレーブ・ディスlocationを用いて、格子の1つのプラケットにおいて、単位格子未満のスケールでのゲージフラックス挿入を実験的に実現した。これにより、スペクトルフローとトポロジカル境界状態を通じて、実空間トポロジカル不変量（RSTIs）の検出が可能になった。本研究では、これらの状態の一次元的伝播とゲージ位相の蓄積を示し、音響系における合成ゲージ場を用いたトポロジカル結晶相の探索のための新規なプラットフォームを確立した。

ABSTRACT

Gauge fields lie at the heart of the fundamental physics of our universe and condensed matter. In lattice systems, the manipulation of local gauge flux, though crucial for quantum states control and for the probe of exotic quantum phases, however, has never reached the sub-unit-cell scale. Here, we report on the first experimental realization of local gauge flux insertion in a single plaquette in a lattice with the gauge phase embracing the full range from 0 to $2\pi$. This extremely localized gauge flux is achieved through an approach based on dimension extension, a step screw dislocation and dimensional reduction. Remarkably, we discover that such single-plaquette gauge flux insertion leads to the detection of the real-space topological invariants (RSTIs) which are instrumental in discerning various topological phases in two-dimensional lattices. The salient consequence of the RSTIs is the spectral flows across the topological band gaps, which are manifested as the emergent topological boundary states localized around and propagating along the inserted gauge flux. We create the physical realization of such a scenario using a designed sonic crystal structure and verify the topological boundary states by detecting their dispersions and wavefunctions through versatile acoustic measurements. We further visualize in experiments the gauge phase accumulation around the flux-carrying plaquette and the one-dimensional propagation of the topological boundary states. Our work unveils experimentally an unprecedented regime for gauge fields in lattices and a fundamental topological response in topological crystalline phases, which thus brings about new aspects in the study of synthetic gauge fields and topological physics.

研究の動機と目的

• 合成ゲージ場の空間分解能の制限を克服し、格子系において単位格子未満のスケールでのゲージフラックス挿入を達成すること。
• 実空間トポロジカル不変量（RSTIs）を用いて、実験的にアクセスが困難な2次元格子内のトポロジカル相をプローブすること。
• フラックスを運ぶプラケットの周囲に局在化し、それらに沿って伝播するトポロジカル境界状態の出現を示すこと。
• 設計された音響結晶プラットフォームにおいて、トポロジカルエッジモードの一次元的伝播とゲージ位相の蓄積を可視化すること。
• 凝縮物質系における合成ゲージ場とトポロジカル結晶相を研究するための新規な実験的領域を確立すること。

提案手法

• 段差スクレーブ・ディスlocationを用いた次元拡張により、格子の1つのプラケットに局在化したゲージフラックスを生成すること。
• 次元削減を用いてゲージフラックスを1つの単位格子に閉じ込め、サブ・ユニットセルスケールでの正確な制御を可能にすること。
• 調整可能なゲージフラックスとトポロジカルバンドギャップを有する、特徴的な音響結晶構造を設計して、格子の物理的実現を図ること。
• 多様な音響プロービング技術を用いて、出現するトポロジカル境界状態の分散関係と波動関数を測定すること。
• 空間的位相分解能測定を用いて、フラックスを運ぶプラケットの周囲でのゲージ位相の蓄積を追跡すること。
• トポロジカルバンドギャップを横切るスペクトルフローの観測を通じて、RSTIsの直接的兆候を得ることで、応答のトポロジカル性を確認すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲージフラックスは、単位格子未満のスケールで、格子の1つのプラケットに局在化可能か？
• RQ2 局在化したゲージフラックス挿入は、トポロジカル境界状態およびスペクトルフローの出現を引き起こすか？
• RQ3 このような局在化フラックス挿入を通じて、実空間トポロジカル不変量（RSTIs）を実験的にプローブ可能か？
• RQ4 合成ゲージ場において、1つのフラックスを運ぶプラケットの周囲でのゲージ位相はどのように蓄積されるか？
• RQ5 設計された音響プラットフォームにおいて、トポロジカルエッジ状態の一次元的伝播を可視化および検証可能か？

主な発見

• 次元拡張と段差スクレーブ・ディスlocationを用いて、0から$2\pi$までの完全な位相制御が可能な、単一プラケットのゲージフラックス挿入の初の実験的実現が達成された。
• トポロジカルバンドギャップを横切るスペクトルフローが観測され、実空間トポロジカル不変量（RSTIs）の存在を直接示した。
• トポロジカル境界状態がフラックスを運ぶプラケットの周囲に出現し、局在化し、欠陥線に沿って一次元的伝播を示した。
• 音響測定により、トポロジカルエッジ状態の分散関係と空間的波動関数プロファイルが確認され、そのトポロジカル起源が妥当性を確認された。
• フラックスを運ぶプラケットの周囲でのゲージ位相の蓄積が実験的に可視化され、合成ゲージ場の非自明な性質が裏付けられた。
• 本系は、単一プラケットレベルでも強固なトポロジカル応答を示し、トポロジカル結晶相をプローブするための新たな道筋を提供した。