[논문 리뷰] Chiral control of quantum states in non-Hermitian spin-orbit-coupled fermions

Zejian Ren, Dong Liu외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 09.

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 공학적으로 설계된 스핀-오비트 결합과 조절 가능한 고산을 갖춘 초냉각 페르미온에서 양자 상태의 엔anti성 제어를 보여주며, 특이점(EP)에서 파리티-시간(PT) 대칭성 붕괴 전이를 실현한다. 매개변수 공간에서 EP를 역동적으로 둘러싸는 동안 실험은 방향에 따라 달라지는 스핀 전이를 관측한다—이는 많은 페르미온 입자계에서 비아디아틱, 엔anti성 양자 상태 진화의 직접적 증거를 제공하며, 비헤르미트(topological) 물리학의 상징적 특징이다.

ABSTRACT

Spin-orbit coupling is an essential mechanism underlying quantum phenomena such as the spin Hall effect and topological insulators. It has been widely studied in well-isolated Hermitian systems, but much less is known about the role dissipation plays in spin-orbit-coupled systems. Here, we implement dissipative spin-orbit-coupled bands filled with ultracold fermions, and observe parity-time symmetry breaking as a result of the competition between the spin-orbit coupling and dissipation. Tunable dissipation, introduced by state-selective atom loss, enables us to tune the energy gap and close it at the critical dissipation value, the so-called exceptional point. In the vicinity of the critical point, the state evolution exhibits a chiral response, which enables us to tune the spin-orbit coupling and dissipation dynamically, revealing topologically robust chiral spin transfer when the quantum state encircles the exceptional point. This demonstrates that we can explore non-Hermitian topological states with spin-orbit coupling.

연구 동기 및 목표

• 스핀-오비트 결합과 비헤르미트 고산 간의 상호작용이 양자 다체계에서 어떻게 작용하는지 조사하기.
• 초냉각 페르미온을 사용해 실현된 합성 비헤르미트 해밀토니안에서 파리티-시간(PT) 대칭성 붕괴 전이를 관측하기.
• 매개변수 공간에서 특이점(EP)을 둘러싸는 것으로 엔anti성 양자 상태 전이를 입증하기.
• 페르미 통계를 갖춘 완전히 양자적인 조건에서 비헤르미트 양자 상의 위상적 성질을 탐구하기.

제안 방법

• 2개의 초미세 상태를 갖는 라만 레이저를 사용해 초냉각 40K 페르미온에서 공학적으로 설계된 스핀-오비트 결합을 구현한다.
• 조절 가능한 스핀에 의존하는 고산(γ↓)을 만들기 위해 레이저 빔의 떨어진 공명 조건을 이용해 상태 선택적 원자 손실을 구현한다.
• 매개변수 공간에서 특이점(EP)을 둘러싸기 위해 손실률과 횡방향 운동량(qx)을 동적으로 조절하여 시스템의 진화를 제어한다.
• 아디아틱 또는 비아디아틱 둘러싸기 후 시간에 따른 비행 영상 촬영과 스핀 분해 측정을 수행하여 엔anti성 상태 전이를 탐지한다.
• 실험 관측 결과를 검증하기 위해 비헤르미트 효과 해밀토니안의 수치 시뮬레이션을 수행하여 상태 전환 효율을 모델링한다.
• 특이점 둘러싸기 후 최종 스핀 극화를 측정하기 위해 광학적 슈타인-게르라흐 펄스를 적용하여 엔anti성 전이의 정량화를 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비헤르미트 고산은 스핀-오비트 결합 페르미온의 에너지 스펙트럼과 위상적 성질에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 다체 초냉각 페르미온계에서 파리티-시간(PT) 대칭성 붕괴 전이를 실험적으로 실현할 수 있는가?
• RQ3 특이점 근처에서 비아디아틱 역학이 양자 상태 진화를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 특이점 둘러싸기의 방향과 속도에 따라 양자 상태의 엔anti성 반응은 어떻게 달라지는가?
• RQ5 엔anti성 강건한 스핀 전이가 공학적으로 설계된 비헤르미트성을 갖는 페르미온계에서 관측될 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 손실률 γ↓ = 10 Er에서 임계 손실률에 도달할 때 특이점(EP)에서 에너지 갭이 닫히며 파리티-시간(PT) 대칭성 붕괴 전이를 나타낸다.
• EP를 10.1 ms 동안 반시계 방향으로 둘러싸면, 초기 |↓⟩ 상태는 주로 |↑⟩로 전환되며 전환 효율 C ≫ 0이 관측되어 엔anti성 상태 진화를 나타낸다.
• 시계 방향 둘러싸기의 경우 스핀 전이 효율은 C = 0으로 떨어지며 비아디아틱 반응의 엔anti성 특성을 확인한다.
• EP가 둘러싸는 루프에서 멀리 떨어져 있을 경우(예: γ↓^max = 2 Er), 엔anti성 행동이 사라지며 특이점 근처에 대한 의존성이 확인된다.
• 수치 시뮬레이션은 느린 둘러싸기(긴 T)가 비아디아틱 전이를 강화하고 엔anti성 전이의 임계값을 낮추며 실험 관측 결과와 일치함을 보여준다.
• 시스템의 역학은 2×2 비헤르미트 효과 해밀토니안으로 잘 기술되며, 페르미 에너지 스케일에서 구멍 준위의 빠른 완화로 인해 양자 점프 효과는 무시 가능하다.