[논문 리뷰] Creating quantum many-body scars through topological pumping of a 1D dipolar gas

Wil Kao, Kuan-Yu Li외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 24.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 트리플렛-디스퍼시브 보즈-아인슈타인 응축체의 1차원 딤퍼스리움 원자에서 상호작용을 주기적으로 조절함으로써 양자 다체 스카 상태의 계층을 생성하는 위상적 펌프링 프로토콜을 제시한다. 긴 범위의 딤퍼스리움 상호작용을 활용하여 안정화시키고, 고착된 상호작용 공명(Confinement-Induced Resonances, CIRs)을 통해 접촉 상호작용을 주기적으로 조절함으로써, 시스템은 고유 상태를 에너지 스펙트럼 상으로 펌프링하는 양자 호로노미를 실현한다. 여기서 준안정적인 슈퍼-톤스-지라르 상태가 핵심 스카 상태로 작용하며, 여러 호로노미 사이클에 걸쳐 강성 및 에너지 밀도 측정을 통해 실험적으로 검증되었다.

ABSTRACT

Quantum many-body scars, long-lived excited states of correlated quantum chaotic systems that evade thermalization, are of great fundamental and technological interest. We create novel scar states in a bosonic 1D quantum gas of dysprosium by stabilizing a super-Tonks-Girardeau gas against collapse and thermalization with repulsive long-range dipolar interactions. Stiffness and energy density measurements show that the system is dynamically stable regardless of contact interaction strength. This enables us to cycle contact interactions from weakly to strongly repulsive, then strongly attractive, and finally weakly attractive. We show that this cycle is an energy-space topological pump (due to a quantum holonomy). Iterating this cycle offers an unexplored topological pumping method to create a hierarchy of quantum many-body scar states.

연구 동기 및 목표

• 연속적이고 격자가 없는 시스템에서 양자 다체 스카 상태의 계층을 생성하는 새로운 위상적 펌프링 메커니즘을 입증하는 것.
• 강한 흡인 상호작용에도 불구하고 1차원 딤퍼스리움 보즈-아인슈타인 응축체에서 슈퍼-톤스-지라르 기체를 안정화시켜 접촉 상호작용을 주기적으로 조절할 수 있도록 하는 것.
• 짧은 범위의 상호작용만으로는 불가능한 바, 딤퍼스리움 상호작용이 슈퍼-톤스-지라르 상태의 안정성을 향상시키는지 보여주는 것.
• 호로노미 사이클 전반에 걸쳐 강성 및 에너지 밀도 측정을 통해 비열적이고 장수명의 들뜬 상태(스카) 존재를 실험적으로 검증하는 것.

제안 방법

• 외부 자기장으로 상호작용 강도와 부호를 제어함으로써, 1차원 딤퍼스리움 원자 기체에서 두 개의 고착된 상호작용 공명(CIRs)을 통해 1차원 접촉 상호작용 강도를 주기적으로 조절한다.
• 강한 흡인 영역에서 붕괴를 방지하기 위해 장거리 딤퍼스리움 상호작용을 활용하여 시스템을 안정화시키며, 약하게 반발력이 있는 상태에서 강하게 흡인되는 상태로의 전환을 포함한 전체 사이클의 상호작용 조절을 가능하게 한다.
• 시스템의 해밀토니안이 한 사이클 후에 원래 형태로 돌아오지만, 다체 상태가 더 높은 에너지 고유 상태로 펌프링되는 양자 호로노미를 실현하는 프로토콜을 구현한다.
• 강성(R)과 에너지 밀도(E/N)를 측정하여 열적 상태와 비열적 상태를 구분하며, 비열적 행동은 스카 상태의 존재를 시사한다.
• 실험 데이터와 이론 모델링(베테 앤티즈 예측 및 정규화된 1차원 딤퍼스리움-디퍼스리움 상호작용 보정 포함)을 조합하여 결과를 검증한다.
• 다양한 자기장 각도(θ = 0°, 55°, 90°)에서 측정하여 딤퍼스리움 상호작용의 영향을 분리하고, 다양한 DDI 강도에서 스카 상태의 강건성을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연속적이고 격자가 없는 1차원 양자 다체 시스템에서 위상적 펌프링 프로토콜을 통해 양자 다체 스카 상태의 계층을 생성할 수 있는가?
• RQ2 장거리 딤퍼스리움 상호작용이 강한 흡인 접촉 상호작용 하에서 1차원 딤퍼스리움 보즈 기체의 슈퍼-톤스-지라르 상태를 안정화시키는가? 이로 인해 전체 상호작용 조절 사이클이 가능해지는가?
• RQ3 딤퍼스리움 상호작용이 고착된 상호작용 공명(CIRs)의 위치나 성질을 얼마나 변화시키며, 분자의 결합 에너지에 측정 가능한 이동이 있는가?
• RQ4 강한 상관관계가 있는 양자 기체에서 비열적이고 장수명의 들뜬 상태(스카)를 어떻게 실험적으로 식별하고 열 상태와 구분할 수 있는가?
• RQ5 양자 호로노미가 비적분 가능한 시스템에서 다체 고유 상태의 에너지 공간 펌프링을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 장거리 딤퍼스리움 상호작용 덕분에 모든 상호작용 영역(강한 반발력 및 흡인 영역 포함)에서 시스템이 동적 안정성을 유지한다.
• 흡인 영역에서 슈퍼-톤스-지라르(sTG) 상태가 안정화되었으며, 강성 및 에너지 밀도 측정을 통해 비열적 성격이 확인되었다.
• 호로노미 사이클 전반에 걸친 강성 측정(R) 결과가 베테 앤티즈 예측과 뛰어난 일치를 보이며 스카 상태 존재를 확인한다.
• 다양한 딤퍼스리움 상호작용 강도(θ = 0°, 55°, 90°)에서도 시스템의 거동이 강건하며, 딤퍼스리움 보정으로 인한 R의 변화는 작고, 이론 모델과 일치한다.
• 실험적 해상도 범위 내에서 고착된 상호작용 공명(CIRs)의 위치에 측정 가능한 이동이 관측되지 않았다.
• 이 프로토콜은 이전에 관측되지 않은 형태의 위상적 펌프링—즉, 양자 호로노미를 통한 에너지 공간 펌프링—을 실현한다. 여기서 각 사이클 후에 고유 상태가 더 높은 에너지 상태로 펌프링되어 스카 상태의 계층이 형성된다.