[論文レビュー] The Realization and Dectection of Weyl Semimetals in Cold Atomic Systems

Wen‐Yu He, Shizhong Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2015

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ラマンレーザーを介して結合されるヘキサゴナル格子光学格子の多層構造を用いて、超低温原子系で3次元ウェイル半金属相を実現する手法を提案する。各層ではラマンレーザーがチャーン絶縁体の性質を誘発する。有限な層間結合により、ラマン補助トンネル効果に起因して特定の波数でバンドギャップが閉じられ、ウェイル点の出現を可能にする。実験的に調整可能な結合強度により、1対または2対のウェイル点を実現可能であり、ウェイル点での遷移確率が増幅するLandau-Zenerトンネル効果が、検出手法として提案されている。

ABSTRACT

In this work, we describe a method to realize 3D Weyl semimetal by coupling multilayers of honeycomb optical lattice in the presence of a pair of Raman lasers. The Raman lasers render each isolated honeycomb layer a Chern insulator. With finite interlayer coupling, the bulk gap of the system closes at certain out-of-plane momenta due to Raman assisted tunnelling and result in the Weyl semimetal phase. Using experimentally relevant parameters, we show that both one and two pairs of Weyl points can be realized by tuning the interlayer coupling strength. We suggest that Landau-Zener tunnelling can be used to detect Weyl points and show that the transition probability increases dramatically when Weyl point emerges.

研究の動機と目的

• 超低温原子を用いた光学格子で、3次元ウェイル半金属を現実的にシミュレート可能な量子シミュレーションプラットフォームを提案すること。
• 層間結合とラマンレーザーが特定の波数でバンドギャップを閉じることで、ウェイル半金属相が生じることを示すこと。
• ウェイル点の数と位置が層間結合強度によって調整可能であることを示すこと。
• ウェイル点の存在を示す検出可能性の指標として、Landau-Zenerトンネル効果を提案すること。

提案手法

• 2次元ヘキサゴナル格子光学格子の多層を結合して3次元系を構成する。
• 各層にラマンレーザーのペアを適用し、非自明な量子ホール効果を示すチャーン絶縁体状態を誘発する。
• ラマン補助トンネルを介して有限な層間トンネルを導入し、逆斉次性を破り、特定の垂直方向波数でギャップ閉じを実現する。
• 実験的に実現可能なパラメータを用いて層間結合強度を調整し、ウェイル点の数を制御する。
• ラマン誘起の複素数の hopping 項を含むタイトビンディングハミルトニアンをモデル化する。
• 遷移確率がウェイル点に達する際に急激に増加するため、Landau-Zenerトンネル効果をプローブとして提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラマン結合ヘキサゴナル格子を用いた超低温原子系で、3次元ウェイル半金属相を実現できるか？
• RQ2 層間結合強度がウェイル点の数と位置に与える影響は何か？
• RQ3 ラマン補助トンネル効果は、バンドギャップの閉じとウェイル半金属の挙動の実現にどのような役割を果たすか？
• RQ4 この系において、Landau-Zenerトンネル効果はウェイル点の存在を検出可能なシグネチャとして機能できるか？
• RQ5 実験的に現実的なパラメータを用いて、1対または2対のウェイル点に調整可能か？

主な発見

• 有限な層間結合があるとき、特定の垂直方向波数でバンドギャップが閉じることにより、ウェイル半金属相が生じる。
• 層間結合強度を調整することで、1対または2対のウェイル点を実現可能であり、実験的に現実的なパラメータで実現可能である。
• ラマン補助トンネル効果は、3次元バンド構造におけるギャップ閉じとウェイルノードの形成に不可欠である。
• ウェイル点が存在する際、Landau-Zenerトンネル効果の遷移確率が著しく増加し、検出可能な指標となる。
• 現実的な実験的条件下でも、頑健なウェイル点を有するトポロジカル的に非自明な相が実現可能である。