[논문 리뷰] Realizing Su-Schrieffer-Heeger topological edge states in Rydberg-atom synthetic dimensions

S. K. Kanungo, J. D. Whalen외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 08.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 초냉각 84Sr 원자에서 라이드버그 준위를 밀리미터파 필드로 결합하여 초합성 차원을 구현하고, 조정 가능한 터널링과 온사이트 포텐셜을 갖는 수스-슈리퍼-헤거(Su-Schrieffer-Heeger, SSH) 모델을 실현한다. 밴드 갭 내에서 영 에너지에 위치한 토폴로지적 에지 상태가 나타나며, 광학적 자극과 측면 대칭성 유지 편향에 대해 강건함을 확인하여, 이 플랫폼이 토폴로지 양자 물질을 시뮬레이션하는 데에 유효함을 검증한다.

ABSTRACT

We demonstrate a platform for synthetic dimensions based on coupled Rydberg levels in ultracold atoms, and we implement the single-particle Su-Schrieffer-Heeger (SSH) Hamiltonian. Rydberg levels are interpreted as synthetic lattice sites, with tunneling introduced through resonant millimeter-wave couplings. Tunneling amplitudes are controlled through the millimeter-wave amplitudes, and on-site potentials are controlled through detunings of the millimeter waves from resonance. Using alternating weak and strong tunneling with weak tunneling to edge lattice sites, we attain a configuration with symmetry-protected topological edge states. The band structure is probed through optical excitation to the Rydberg levels from the ground state, which reveals topological edge states at zero energy. We verify that edge-state energies are robust to perturbation of tunneling-rates, which preserves chiral symmetry, but can be shifted by the introduction of on-site potentials.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 84Sr 원자의 라이드버그 준위를 이용해 조정 가능한 터널링과 온사이트 포텐셜을 갖는 초합성 차원을 구현하여 양자 시뮬레이션을 통한 토폴로지 양자상태를 구현한다.
• 공명하는 밀리미터파 결합을 통해 조정 가능한 터널링과 온사이트 포텐셜을 갖는 수스-슈리퍼-헤거(SSH) 해밀토니안을 실현한다.
• 초합성 1차원 격자에서 대칭성 보호된 토폴로지적 에지 상태를 관측하고, 외부 편향에 대한 강건성을 검증한다.

제안 방법

• 84Sr의 라이드버그 준위(ns 및 np 상태)를 초합성 격자 위치로 사용하며, 공명에 가까운 밀리미터파 필드에 의해 터널링을 유도한다.
• 터널링 강도는 밀리미터파 라비 주파수를 통해 제어하고, 온사이트 포텐셜은 공명에서의 떨어짐을 조절하여 조절한다.
• 교차하는 약한 및 강한 터널링을 갖는 SSH 모델을 실현하며, 에지 상태를 유도하기 위해 에지 위치 사이의 터널링을 약하게 한다.
• 밴드 구조와 고유상태 분포는 라이드버그 준위로의 광학적 자극을 통해 탐측하며, 공간적으로 분리된 형광 영상(SFI)을 이용해 위치 해상도로 검출한다.
• 터널링 강도와 온사이트 포텐셜에 대한 외부 편향을 적용하여 측면 대칭성과 에지 상태의 강건성을 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초냉각 원자에서 라이드버그 준위를 이용해 조정 가능한 터널링과 온사이트 포텐셜을 갖는 초합성 차원을 실현할 수 있는가?
• RQ2 교차하는 터널링을 갖는 초합성 1차원 격자에서의 SSH 모델이 토폴로지 보호된 에지 상태를 지닐 수 있는가?
• RQ3 이러한 에지 상태의 에너지는 측면 대칭성 유지 편향에 대해 강건한가?
• RQ4 온사이트 포텐셜 이격이 에지 상태 에너지에 미치는 영향는 어떠한가? 이는 국소화를 탐측하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ5 이 플랫폼은 개별 격자 위치의 분포를 해상도로 확인하고, 에지 상태 국소화를 확인할 수 있는가?

주요 결과

• 6사이트 SSH 모델의 밴드 갭 내에서 영 에너지에 위치한 토폴로지적 에지 상태가 광학적 자극 스펙트럼을 통해 확인되었다.
• 터널링 강도가 측면 대칭성 유지 방식으로 비대칭화되어도 에지 상태 에너지는 영 그대로 유지되어 강건성을 입증하였다.
• 밀리미터파 결합을 i=1 (57s) 위치에서 떨어지게 함으로써 측면 대칭성이 깨지면, 에지 상태 에너지가 떨어짐의 크기만큼 이격된다.
• i=6 (59p) 위치에 국소화된 수직 에지 상태는 i=1 결합이 떨어졌을 때 영향을 받지 않아, 위치 특이적 국소화를 확인하였다.
• 이중 사이트 해상도를 갖는 공간적으로 분리된 형광 영상(SFI)을 통해 고유상태의 분해와 격자 고유상태 분포의 검증이 이루어졌다.