[논문 리뷰] Observation of a symmetry-protected topological phase with ultracold fermions

Bo Song, Long Zhang외 6명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 02.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 초냉각 페르미온을 사용한 1차원 광학 격자에서 자기군과 국소적이지 않은 캐릭터 대칭성에 의해 보호되는 대칭성 보호 위상(topological, SPT)의 첫 실험적 관측을 보고한다. 위상은 고대칭 운동량에서의 블로흐 상태를 통해 탐측되며, 퇄입 프로토콜 동안의 특별한 비평형 스핀 동역학을 통해 드러나며, 위상에 의존하는 느슨함 행동을 보여준다.

ABSTRACT

Symmetry plays a fundamental role in understanding complex quantum matters, in particular, in classifying topological quantum phases which have attracted great interests in the recent decade. An outstanding example is the time-reversal invariant topological insulator, a symmetry-protected topological (SPT) phase in symplectic class of the Altland-Zirnbauer classification. Here, we report the first observation for ultracold atoms of a new SPT phase in a one-dimensional optical lattice, and study quench dynamics between topologically distinct phases. The observed SPT phase is protected by a magnetic group and a nonlocal chiral symmetry, with its topology being measured via Bloch states at symmetric momenta. The topology also resides in far-from-equilibrium spin dynamics, which are predicted and observed in experiment to exhibit qualitatively distinct behaviors in quenching to trivial and nontrivial phases, revealing a deep topology-dependent spin relaxation dynamics. This work opens the way to expanding the scope of SPT phases with ultracold atoms and studying non-equilibrium quantum dynamics in such exotic phases.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 페르미온에서 새로운 대칭성 보호 위상(SPT)을 실험적으로 실현하고 특성화하는 것.
• 자기군과 국소적이지 않은 캐릭터 대칭성이 1차원 시스템에서 위상적 질서를 보호하는 데 미치는 역할을 조사하는 것.
• 대칭 운동량에서의 블로흐 상태를 사용하여 SPT 위상의 위상을 탐측하는 것.
• 특히 퇴화 프로토콜 이후 스핀 느슨함 행동을 포함한 비평형 동역학을 탐색하는 것.
• 초냉각 원자 시스템에서 위상적 불변량과 비평형 양자 동역학 사이의 연결 고리를 설정하는 것.

제안 방법

• SPT 위상을 수용할 수 있는 초냉각 페르미온 원자로 구성된 1차원 광학 격자를 실현하는 것.
• 위상 위상을 보호하기 위해 자기군과 국소적이지 않은 캐릭터 대칭성을 갖는 해밀토니안을 설계하는 것.
• 고대칭 운동량에서의 블로흐 상태로부터 추출한 자크 위상(Zak phase)을 통해 위상을 측정하는 것.
• 시스템 매개변수를 갑작스럽게 조정하여 평형 상태와 비평형 상태에 도달하는 퇴화 동역학을 수행하는 것.
• 시간에 따라 변화하는 스핀 동역학을 모니터링하여 위상에 의존하는 느슨함 행동을 탐지하는 것.
• 실험적 탐측 기술을 사용하여 평형상태와 비평형상태 사이의 스핀 느슨함 행동의 정성적 차이를 관측하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1차원 광학 격자에서 초냉각 페르미온에서 새로운 대칭성 보호 위상이 실현되고 관측될 수 있는가?
• RQ2 자기군과 국소적이지 않은 캐릭터 대칭성이 이 시스템에서 위상적 질서를 공동으로 보호하는 방식은 무엇인가?
• RQ3 대칭 운동량에서의 블로흐 상태를 사용하여 SPT 위상의 위상을 신뢰성 있게 측정할 수 있는가?
• RQ4 퇴화 이후 비평형 스핀 동역학에서 위상의 특징은 무엇인가?
• RQ5 평형상태와 비평형상태의 위상에서 스핀 자유도의 느슨함 동역학은 어떻게 다를까?

주요 결과

• 실험적으로 자기군과 국소적이지 않은 캐릭터 대칭성에 의해 보호되는 대칭성 보호 위상(SPT)이 초냉각 페르미온에서 성공적으로 관측되었다.
• 고대칭 운동량에서의 블로흐 상태 측정을 통해 위상이 확인되었으며, 이는 비자명한 자크 위상을 시사한다.
• 퇴화 동역학은 평형상태와 비평형상태 사이에서 스핀 느슨함 행동이 질적으로 다름을 드러냈다.
• 관측된 스핀 동역학은 위상에 의존하는 느슨함을 보였으며, 두 위상 간의 감쇠 패턴에 명확한 차이가 있었다.
• 결과적으로 위상 불변량이 초냉각 원자 시스템에서 비평형 동역학을 통해 탐측될 수 있음을 보여주었다.
• 이 연구는 제어 가능한 초냉각 원자 시설에서 비정상적인 SPT 위상과 비평형 양자 동역학을 연구할 수 있는 플랫폼을 구축하였다.