[論文レビュー] Universal transport in periodically driven systems without long-lived quasiparticles

Iliya Esin, Clemens Kuhlenkamp+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、準粒子が長く存続しない強い相互作用領域においても、周期的に駆動される一次元系における普遍的電荷輸送が依然として頑健に保たれることを示している。解析的および数値的手法を用いて、著者らは、系の非平衡分布が準安定状態の条件を満たす場合、量子化された電流が存続することを示し、トポロジカル輸送を非平衡領域にまで拡張した現象として確立した。これは、冷媒原子系で実現可能な現象である。

ABSTRACT

An intriguing regime of universal charge transport at high entropy density has been proposed for periodically driven interacting one-dimensional systems with Bloch bands separated by a large single-particle band gap. For weak interactions, a simple picture based on well-defined Floquet quasiparticles suggests that the system should host a quasisteady state current that depends only on the populations of the system's Floquet-Bloch bands and their associated quasienergy winding numbers. Here we show that such topological transport persists into the strongly interacting regime where the single-particle lifetime becomes shorter than the drive period. Analytically, we show that the value of the current is insensitive to interaction-induced band renormalizations and lifetime broadening when certain conditions are met by the system's non-equilibrium distribution function. We show that these conditions correspond to a quasisteady state. We support these predictions through numerical simulation of a system of strongly interacting fermions in a periodically-modulated chain of Sachdev-Ye-Kitaev dots. Our work establishes universal transport at high entropy density as a robust far from equilibrium topological phenomenon, which can be readily realized with cold atoms in optical lattices.

研究の動機と目的

• 準粒子が明確に定義されない強い相互作用を受ける周期的に駆動される一次元系において、トポロジカル電荷輸送が存続するかどうかを調査すること。
• 相互作用に起因するバンド再正規化および寿命の広がりに対しても、量子化された電流が頑健に保たれる条件を特定すること。
• 長く存続しない準粒子が存在する状況においても、普遍的輸送を支える準安定状態の存在を確立すること。
• 冷媒原子の光学ラティスなどの実験的に実現可能な系において、この輸送現象を実現可能かどうかを示すこと。

提案手法

• 準粒子が短命であっても成り立つ、Floquet-Blochバンドの占有数および準エネルギー巻き戻し数に基づく電流の解析的導出。
• 周期的に駆動される鎖における強い相互作用を受けるフェルミ粒子のダイナミクスを記述するためのケルディシュ非平衡グリーン関数形式の使用。
• 強い相関をモデル化するため、ランダム相互作用を有するSachdev-Ye-Kitaev（SYK）ドットの鎖の数値的シミュレーション。
• 散乱を含む自己エネルギーの不純物平均を用いて相互作用を考慮した、レチロードおよびケルディシュグリーン関数の自己無撞着な解法（Kadanoff-Baym方程式）。
• 計算コストを削減しつつも精度を保持するため、メモリ切断を施した時間発展行列形式の実装。
• 駆動をオンにする前のグリーン関数の初期化に、平衡状態におけるフラクチュエーション・ディスシペーション定理の適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相互作用によって長く存続する準粒子が破壊される状況において、周期的に駆動される系でトポロジカル電荷輸送が量子化されたまま保たれるか？
• RQ2 非平衡分布関数が、相互作用に起因するバンドシフトおよび幅広がりに対して電流の頑健性を保つために満たすべき条件は何か？
• RQ3 強い駆動および強い相関を持つ系において、普遍的輸送を支える準安定状態が出現するか？
• RQ4 ランダム相互作用を有するSYKモデルのような強相関系において、トポロジカル電流を正確にシミュレートできるか？
• RQ5 予測された普遍的輸送は、光学ラティス内の冷媒原子のような実験的に実現可能なプラットフォームで観測可能か？

主な発見

• 系の非平衡分布が準安定状態の条件を満たしている限り、相互作用に起因するバンド再正規化や寿命の広がりに対して、量子化された電流は影響を受けない。
• ランダム相互作用を有するSYKドットの鎖の数値的シミュレーションにより、強い相互作用領域においても普遍的電流が存続することが確認された。
• 系は、トポロジカル輸送を支える安定で時間周期的な分布関数を示す準安定状態を示した。
• ケルディシュ形式は、明確に定義された準粒子が存在しない状況においても、非平衡ダイナミクスおよび輸送特性を的確に捉えた。
• 高エントロピー密度における普遍的輸送は、非平衡領域にまで拡張されたトポロジカル現象として、頑健であることが確立された。
• これらの結果は、周期的に変調された光学ラティスを用いた冷媒原子実験で、この輸送が実現可能である可能性を示唆している。