[논문 리뷰] Universal transport in periodically driven systems without long-lived quasiparticles

Iliya Esin, Clemens Kuhlenkamp외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 02.

Topological Materials and Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 쿼웨이프article가 짧게만 존재하는 강한 상호작용 영역에서도 주기적으로 구동되는 일차원 시스템에서의 보편적인 전하 운반 현상이 여전히 강건함을 보여준다. 분석적이고 수치적 방법을 통해 저자들은 비평형 분포가 준정상 상태 조건을 만족할 경우 양자화된 전류가 유지됨을 보이며, 위상적 운반 현상을 비평형 상태에서 실현 가능한 현상으로 규명한다. 이는 냉각된 원자 시스템에서 실현 가능하다.

ABSTRACT

An intriguing regime of universal charge transport at high entropy density has been proposed for periodically driven interacting one-dimensional systems with Bloch bands separated by a large single-particle band gap. For weak interactions, a simple picture based on well-defined Floquet quasiparticles suggests that the system should host a quasisteady state current that depends only on the populations of the system's Floquet-Bloch bands and their associated quasienergy winding numbers. Here we show that such topological transport persists into the strongly interacting regime where the single-particle lifetime becomes shorter than the drive period. Analytically, we show that the value of the current is insensitive to interaction-induced band renormalizations and lifetime broadening when certain conditions are met by the system's non-equilibrium distribution function. We show that these conditions correspond to a quasisteady state. We support these predictions through numerical simulation of a system of strongly interacting fermions in a periodically-modulated chain of Sachdev-Ye-Kitaev dots. Our work establishes universal transport at high entropy density as a robust far from equilibrium topological phenomenon, which can be readily realized with cold atoms in optical lattices.

연구 동기 및 목표

• 쿼웨이프article가 잘 정의되지 않는 강한 상호작용을 겪는 주기적으로 구동되는 일차원 시스템에서 위상적 전하 운반이 유지되는지 조사하기 위해.
• 상호작용에 의한 밴드 재정렬과 수명 폭발에 의해 영향을 받는 전류가 어떻게 강건하게 유지되는지 조건을 규명하기 위해.
• 장수하지 않는 쿼웨이프article가 존재하는 상황에서 보편적 운반을 지지하는 준정상 상태의 존재를 입증하기 위해.
• 냉각된 원자와 같은 실험적으로 접근 가능한 시스템에서 이러한 운반 현상이 실현 가능한지 보여주기 위해.

제안 방법

• 쿼웨이프particle가 짧게만 존재하는 경우에도 유효한, 플로케트-블로흐 밴드 인구와 위상 에너지의 감도 수치를 기반으로 한 전류의 해석적 유도.
• 주기적으로 구동되는 사슬에서 강한 상호작용을 갖는 페르미온의 역학을 기술하기 위해 켈디쉬 비평형 그린 함수 형식의 사용.
• 강한 상관관계를 모델링하기 위해 무작위 상호작용을 갖는 사치드-예-키타에프(SYK) 점의 사슬을 수치 시뮬레이션.
• 불순물 평균 자가에너지 포함, 후행 및 켈디쉬 그린 함수에 대한 칸도프-베이름 방정식의 자가일관된 해법.
• 계산 비용을 줄이면서도 정확도를 유지하기 위해 기억 단절을 적용한 시간에 따라 변화하는 행렬 형식의 구현.
• 구동이 켜지기 전에 그린 함수를 초기화하기 위해 평형 상태에서 플럭투에이션-디소션 정리의 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상호작용으로 인해 장수하지 않는 쿼웨이프article가 파손되는 경우, 주기적으로 구동되는 시스템에서 위상적 전하 운반 현상이 여전히 양자화되어 유지될 수 있는가?
• RQ2 비평형 분포 함수의 어떤 조건이 상호작용에 의한 밴드 이동과 폭발에 대해 전류의 강건성을 보장하는가?
• RQ3 강한 구동과 강한 상관관계를 갖는 시스템에서 위상 운반을 지지하는 준정상 상태가 나타나는가?
• RQ4 예를 들어 무작위 상호작용을 갖는 SYK 모델에서 이러한 위상 전류를 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ5 예상되는 보편적 운반 현상은 냉각된 원자로 이루어진 온전한 격자와 같은 실험적으로 실현 가능한 플랫폼에서 관측 가능한가?

주요 결과

• 시스템의 비평형 분포가 준정상 상태 조건을 만족할 경우, 상호작용에 의한 밴드 재정렬과 생애 폭발에 대해 양자화된 전류가 영향을 받지 않는다.
• 무작위 상호작용을 갖는 SYK 점의 사슬에 대한 수치 시뮬레이션은 강한 상호작용 영역에서도 보편 전류의 지속성을 확인한다.
• 시스템은 안정적이고 시간 주기적인 분포 함수를 특징으로 하는 준정상 상태를 나타내며, 이는 위상 운반을 지지한다.
• 켈디쉬 형식은 잘 정의되지 않는 쿼웨이프particle가 존재하는 상황에서도 비평형 역학과 운반 특성을 성공적으로 캡처한다.
• 고 엔트로피 밀도에서의 보편적 운반 현상은 강건한 비평형 위상 현상임을 입증한다.
• 이러한 결과는 이 운반 현상이 주기적으로 변조된 온전한 격자를 갖는 냉각된 원자 실험에서 실현 가능할 수 있음을 시사한다.