[논문 리뷰] Realization of anomalous Floquet topological phases with ultracold atoms

Karen Wintersperger, Christoph Braun외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 23.

Quantum, superfluid, helium dynamics인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 주기적으로 구동되는 정육각형 광학 격자에서 초냉각 보스온 원자를 사용하여 비정상 프로켓 위상의 실험적 실현을 보여준다. 에너지 갭과 국소적 홀 변위를 측정함으로써 저자들은 완전한 위상적 불변량의 집합을 추출하였으며, 이는 제로 치른 수가지만 강건한 비틀림 모서리 모드가 존재함을 드러내며, 비정상 프로켓 시스템의 완전한 위상적 특성화를 확립한다.

ABSTRACT

Coherent control via periodic modulation, also known as Floquet engineering, has emerged as a powerful experimental method for the realization of novel quantum systems with exotic properties. In particular, it has been employed to study topological phenomena in a variety of different platforms. In driven systems, the topological properties of the quasienergy bands can often be determined by standard topological invariants, such as Chern numbers, which are commonly used in static systems. However, due to the periodic nature of the quasienergy spectrum, this topological description is incomplete and new invariants are required to fully capture the topological properties. Most prominently, there exist two-dimensional anomalous Floquet systems that exhibit robust chiral edge modes, despite all Chern numbers are equal to zero. Here, we realize such a system with bosonic atoms in a periodically-driven hexagonal lattice and infer the complete set of topological invariants from energy gap measurements and local Hall deflections.

연구 동기 및 목표

• 주기적으로 구동되는 정육각형 격자에서 초냉각 보스온 원자를 사용하여 이중 차원 비정상 프로켓 위상의 실험적 실현.
• 주기적으로 구동되는 시스템에서 표준 위상 불변량(치른 수 등)의 한계를 극복하기 위해.
• 치른 수를 초월하는 완전한 불변량 집합을 사용하여 비정상 프로켓 시스템의 위상적 성질을 완전히 특성화하기 위해.
• 제로 치른 수를 가진 시스템에서 강건한 비틀림 모서리 모드의 존재를 직접 실험적으로 관측함으로써 이를 입증하기 위해.

제안 방법

• 초냉각 보스온 원자를 위한 시간 주기적 해밀토니안을 설계하기 위해 주기적으로 구동되는 정육각형 광학 격자를 활용.
• 준에너지 스펙트럼의 에너지 갭 측정을 통해 위상 전이를 탐지.
• 원자 웨이브 패킷의 국소적 홀 변위를 관측하여 비틀림 모서리 모드를 탐지.
• 에너지 갭과 홀 반응 데이터의 조합으로부터 완전한 위상 불변량 집합을 유추.
• 치른 수를 초월하는 위상 분류를 확장하는 이론적 프레임워크를 적용하여 비정상 프로켓 시스템을 기술.
• 주기적 변조(프로켓 엔지니어링)를 통한 일관된 제어를 활용하여 정적 시스템에서 실현할 수 없는 특이한 위상 상태에 접근.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 치른 수가 0이면서 강건한 비틀림 모서리 모드를 가진 비정상 프로켓 위상은 초냉각 원자 시스템에서 실험적으로 실현될 수 있는가?
• RQ2 치른 수를 초월하는 비정상 프로켓 시스템의 위상적 성질을 완전히 특성화하는 데 필요한 위상 불변량의 집합은 무엇인가?
• RQ3 치른 수가 0인 시스템에서 비틀림 모서리 모드의 존재는 어떻게 실험적으로 검증할 수 있는가?
• RQ4 에너지 갭 측정과 홀 변위 신호는 어떤 정도까지 주기적 시스템에서 전체 위상 불변량의 구조를 재구성하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ5 프로켓 엔지니어링를 통해 전통적인 위상 불변량이 없는 상태에서도 비틀림 모서리 운반을 가진 위상 상태를 실현하고 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 실험은 치른 수가 모두 0이지만 강건한 비틀림 모서리 모드를 가진 이중 차원 비정상 프로켓 위상을 성공적으로 실현하였다.
• 에너지 갭과 국소적 홀 변위 측정의 조합으로부터 완전한 위상 불변량 집합이 추론되었다.
• 국소적 홀 변위는 치른 수가 비영이 아닌 상황이 아닌 상태에서 비틀림 모서리 모드의 직접적인 실험적 증거를 제공한다.
• 에너지 갭 측정은 위상 전이와 비자명한 위상 상의 존재를 확인하였다.
• 결과적으로 주기적 시스템에서의 위상 특성화에는 치른 수를 초월하는 불변량이 필요하며, 이는 이론적 예측을 검증한다.
• 이 연구는 초냉각 원자를 사용하여 비정상 프로켓 시스템의 위상 불변량을 실험적으로 접근하고 검증하는 프로토콜을 수립하였다.