[논문 리뷰] Observation of a dynamical topological phase transition

Nick Fläschner, Dominik Vogel외 8명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 19.

Quantum many-body systems참고 문헌 31인용 수 149

한 줄 요약

이 논문은 두 격자 해밀토니언 간의 급변(quench) 후 페르미언 다체 상태에서의 동적 위상 전이의 첫 관측을 보고하며, 초저온 원자에서의 시계열 상태 토모그래피를 이용해 역공간의 소용돌이를 동적 위상 질서를 추적한다.

ABSTRACT

Phase transitions are a fundamental concept in science describing diverse phenomena ranging from, e.g., the freezing of water to Bose-Einstein condensation. While the concept is well-established in equilibrium, similarly fundamental concepts for systems far from equilibrium are just being explored, such as the recently introduced dynamical phase transition (DPT). Here we report on the first observation of a DPT in the dynamics of a fermionic many-body state after a quench between two lattice Hamiltonians. With time-resolved state tomography in a system of ultracold atoms in optical lattices, we obtain full access to the evolution of the wave function. We observe the appearance, movement, and annihilation of vortices in reciprocal space. We identify their number as a dynamical topological order parameter, which suddenly changes its value at the critical times of the DPT. Our observation of a DPT is an important step towards a more comprehensive understanding of non-equilibrium dynamics in general.

연구 동기 및 목표

• 평형상태의 위상전이 이외의 비평형 다이내믹스를 연구하는 동기를 부여한다.
• 페르미언 다체 시스템에서의 동적 위상 전이(DPT)의 실험적 관측을 보여준다.
• 역공간의 소용돌이의 수와 움직임이 동적 토폴로지 질서 매개변수로 작용함을 보인다.
• 광자 격자 설치에서 상태 토모그래피를 통해 파동함수의 진화를 전체적으로 접근 가능하게 한다.

제안 방법

• 두 격자 해밀토니언 사이에서 페르미언 다체 시스템을 쿼치한다.
• 파동함수의 진화를 얻기 위해 시계열 상태 토모그래피를 수행한다.
• 동적 토폴로지 특징으로서 운동량( reciprocal) 공간에서 소용돌이를 식별하고 계산한다.
• 소용돌이의 등장, 이동, 소멸을 추적하여 DPT의 임계 시간을 찾는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 페르미언 다체 상태의 비평형 다이내믹스에서 동적 위상 전이가 관측될 수 있는가?
• RQ2 reciprocal 공간의 소용돌이가 DPT 중 임계 시간에서 변하는 동적 토폴로지 질서 매개변수로 작용하는가?
• RQ3 비평형 다이내믹스에서 파동함수의 진화가 토폴로스를 어떻게 반영하는가?

주요 결과

• 쿼치 후의 다이내믹스 중 reciprocal 공간의 소용돌이가 나타나고, 움직이며, 소멸한다.
• 이 소용돌이의 수가 임계 시간에서 변하는 동적 토폴로지 질서 매개변수로 작용한다.
• 이로써 비평형 양자계에서의 동적 위상 전이에 대한 실험적 증거를 제공한다.