[논문 리뷰] Flux-dependent localisation in a disordered flat-band lattice

Fangzhao Alex An, Η. Meier외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 25.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 초냉각 원자를 이용한 합성 운동량 공간 격자에서 불순물이 있는 평탄한 밴드 격자를 처음으로 양자 시뮬레이션한 것으로, 다중 범위 터널링과 합성 자기장 플럭스를 갖는 자이거그 구조를 설계하였다. 이는 플럭스에 의존하는 국소화와 거의 평탄한 4차 밴드에서의 이동성 경계를 드러내며, 좌절된 양자 시스템에서 위상성, 불순물, 그리고 잠재적 다체 현상 간의 직접적인 연관성을 확립한다.

ABSTRACT

Physical systems with high ground state degeneracy, such as electrons in large magnetic fields [1, 2] and geometrically frustrated spins [3], provide a rich playground for exploring emergent many-body phenomena. Quantum simulations with cold atoms offer new prospects for exploring complex phases arising from frustration and interactions [4-7] through the direct engineering of these ingredients in a well-controlled environment [8, 9]. Advances in band structure engineering, through the use of sophisticated lattice potentials made from interfering lasers, have allowed for explorations of kagome [10] and Lieb [11] lattice structures that support high-degeneracy excited energy bands. The use of internal states as synthetic dimensions [12] offers even greater flexibility in creating nontrivial band structures [13-17]. Here, using synthetic lattices based on laser-coupled atomic momentum states, we perform the first exploration of high-degeneracy ground bands in a cold atom system. By combining nearest- and next-nearest-neighbour tunnellings, we form an effective zigzag lattice that naturally supports kinetic frustration and nearly-flat quartic energy bands. In a quartic band structure with time-reversal symmetry (TRS) broken by a synthetic magnetic flux, the quench dynamics of our atoms reveal hallmark signatures of spin-momentum locking. Under preserved TRS, we demonstrate the extreme sensitivity of a nearly-flat ground band to added disorder. Furthermore, we show that the ground state localisation properties are strongly modified by an added flux, relating to a flux-dependent mobility edge due to multi-range tunnelling. Our work constitutes the first quantum simulation study on the interplay of topology and disorder [18], and opens the door to studying emergent phenomena driven by frustrated kinetics and atomic interactions

연구 동기 및 목표

• 초냉각 원자를 이용하여 위상성, 불순물, 평탄한 밴드 간의 상호작용을 양자 시스템에서 탐색하기.
• 운동량 공간에서의 합성 격자를 통해 운동 에너지의 좌절을 유도하여 고데기의 기저 밴드를 설계하기.
• 합성 자기장 플럭스가 불순물 하에서 거의 평탄한 밴드에서 국소화에 어떻게 영향을 주는지 조사하기.
• 다중 범위 터널링이 있는 시스템에서 플럭스에 의존하는 이동성 경계의 존재를 입증하기.
• 좌절된 운동 에너지와 상호작용으로부터 발생하는 잠재적 다체 현상을 연구할 수 있는 제어 가능한 플랫폼 제공하기.

제안 방법

• 레이저로 결합된 원자 운동량 상태를 이용하여 효과적인 근처 및 이웃한 이웃 터널링을 갖는 합성 격자를 생성하기.
• 기하학적으로 거의 평탄한 4차 에너지 밴드를 지닌 고데기의 높은 비율을 지닌 효과적인 자이거그 격자 구조를 설계하기.
• 시간역전 대칭성을 깨뜨리고 위상 효과를 탐구하기 위해 합성 자기장 플럭스를 도입하기.
• 플럭스 존재 하에서 스핀-운동량 고정의 서명을 관측하기 위해 쿠잉 동역학을 적용하기.
• 불순물의 영향을 연구하기 위해 불순물을 도입하고, 이동성 조절을 위해 조절 가능한 플럭스를 사용하기.
• 시간에 따라 변화하는 측정을 통해 원자 밀도 동역학을 추적하고 국소화 성질을 추출하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 합성 자기장 플럭스는 불순물 하에서 거의 평탄한 밴드에서 국소화에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ2 다중 범위 터널링이 평탄한 밴드 시스템에서 플럭스에 의존하는 이동성 경계를 유도하는가?
• RQ3 시간역전 대칭성이 깨진 평탄한 밴드에서 스핀-운동량 고정의 서명은 무엇인가?
• RQ4 불순물은 고데기의 4차 밴드 기저 상태에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ5 합성 격자 플랫폼은 제어 가능한 양자 시뮬레이션에서 위상성, 좌절, 불순물 간의 상호작용을 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 쿠잉 동역학은 합성 자기장 플럭스가 존재하는 시간역전 대칭성이 깨진 영역에서 스핀-운동량 고정의 명확한 서명을 드러낸다.
• 시간역전 대칭성이 유지되는 조건에서 기저 상태는 불순물에 매우 민감하게 반응하며, 이는 평탄한 밴드에서 앤더슨 국소화를 나타낸다.
• 합성 플럭스의 추가로 플럭스에 의존하는 이동성 경계가 유도되어 국소화-비국소화 전이가 변화한다.
• 다중 범위 터널링은 합성 플럭스로 조절 가능한 이동성 경계의 출현을 가능하게 하며, 국소화에 대한 위상 제어를 입증한다.
• 이 시스템은 고데기의 높은 비율을 지닌 거의 평탄한 4차 밴드를 실현하여 강한 상관관계와 잠재적 양자 상의 발생을 가능하게 한다.
• 이 연구는 제어 가능한 양자 시뮬레이션에서 위상성, 불순물, 좌절 간의 상호작용을 연구하기 위한 첫 번째 실험 플랫폼을 구축한다.