[논문 리뷰] A Bose-Einstein Condensate on a Synthetic Hall Cylinder

Chuan-Hsun Li, Yangqian Yan외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 06.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 원통형 표면에 방사형 합성 자기장 플럭스를 가진 합성 원통 표면 위에 보스-아인슈타인 응축(BEC)을 실현하여, 위상적으로 동일한 2차원 홀 띠로 구성된다. BEC는 잠재적인 비대칭 대칭 보호 밴드 교차로 인해 주기성이 두 배가 된 블로흐 진동을 나타내며, 밴드 갭 열기 및 원통의 분리와 같은 위상적 작용을 통해 고체 상태 물리 현상 탐색이 가능하다. 이는 합성 곡면에서의 양자 현상을 탐구할 수 있게 한다.

ABSTRACT

Interplay between matter and fields in physical spaces with nontrivial geometries gives rise to many exotic quantum phenomena. However, their realizations are often impeded by experimental constraints. Here, we realize a Bose-Einstein condensate (BEC) on a synthetic cylindrical surface subject to a net radial synthetic magnetic flux, topologically equivalent to a two-dimensional (2D) Hall ribbon with two edges connected. This cylindrical surface comprises a real spatial dimension and a curved synthetic dimension formed by cyclically-coupled spin states. The BEC on such a Hall cylinder has counterintuitive properties unattainable by its counterparts in 2D planes. We observe Bloch oscillations of the BEC with doubled periodicity of the band structure, analogous to traveling on a Mobius strip, reflecting the BEC's emergent crystalline order with nonsymmorphic symmetry-protected band crossings. We further demonstrate such topological operations as gapping the band crossings and unzipping the cylinder. Our work opens the door to engineering synthetic curved spaces and observing intriguing quantum phenomena inherent to the topology of spaces.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 원자에 대한 합성 곡면을 설계하여 비자명한 기하학에서의 양자 현상을 탐구한다.
• 순환적으로 연결된 스핀 상태를 사용하여 순환적 합성 표면 위에 보스-아인슈타인 응축을 실현한다.
• 비대칭 대칭이 있는 시스템에서 잠재적인 결정학적 질서와 밴드 교차를 포함한 위상적 양자 효과를 관찰한다.
• 합성 원통의 밴드 갭 열기 및 분리와 같은 작용을 통해 위상적 밴드 구조를 제어함을 보여준다.

제안 방법

• 순환적으로 결합된 스핀 상태를 사용하여 실공간 차원과 합성 차원을 조합하여 합성 원통 표면을 구성한다.
• 라만 결합을 통해 합성 자기장 플럭스를 적용하여 순방향 방향의 순수한 플럭스를 생성하며, 이는 2차원 홀 띠와 위상적으로 동일하다.
• 비대칭 대칭을 가진 밴드 구조를 설계하여 보호된 밴드 교차를 이끈다.
• 블로흐 진동의 주기성이 두 배가 된 BEC를 관측함으로써 잠재적인 결정학적 질서를 확인한다.
• 밴드 갭 열기 및 원통 분리와 같은 위상적 작용을 시행하여 위상적 상전이를 탐구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비자명한 위상적 성질을 가진 합성 곡면에서 보스-아인슈타인 응축은 어떻게 행동하는가?
• RQ2 방사형 합성 자기장 플럭스를 가진 합성 홀 원통에서 어떤 잠재적인 대칭성과 밴드 구조가 발생하는가?
• RQ3 합성 차원에서 밴드 갭 열기 및 원통 분리와 같은 위상적 작용을 실현할 수 있는가?
• RQ4 블로흐 진동의 주기성이 두 배가 되는 것은 시스템의 비대칭 대칭성과 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• BEC는 비대칭 대칭을 가진 잠재적인 결정학적 질서를 나타내는 주기성이 두 배가 된 블로흐 진동을 보이며, 이는 비대칭 대칭 보호 밴드 교차의 존재를 시사한다.
• 이 시스템은 두 개의 가장자리가 연결된 위상적으로 동일한 2차원 홀 띠를 실현하여 고유한 양자 전도 성질을 가진다.
• 합성 밴드 구조의 밴드 교차는 비대칭 대칭에 의해 보호되며, 관측된 진동 패tern으로부터 확인된다.
• 밴드 교차의 갭 열기 및 원통 분리와 같은 위상적 작용이 실험적으로 증명되었다.