[논문 리뷰] Evidence for Many-Body Localization in an Ultracold Fermi-Hubbard Gas

Stanimir Kondov, William McGehee외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 26.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 비균일한 광학 격자에 봉인된 강한 상호작용을 보이는 초냉각 페르미-허브드 기체에서 다체 국소화(MBL)에 대한 실험적 증거를 제공한다. 열화가 발생하지 않는 조건에서 질량 이동을 측정함으로써, 저온에서의 상호작용 유도 탈국소화와 온도가 증가함에도 불구하고 뚜렷한 국소화 현상을 관찰하였으며, 이는 MBL이 비열 reservoir가 존재하는 닫힌 양자 시스템에서 비제로 온도에서도 안정된 상태임을 확인한다.

ABSTRACT

We observe the emergence of a disorder-induced insulating state in a strongly interacting atomic Fermi gas trapped in an optical lattice. This closed quantum system free of a thermal reservoir realizes the disordered Fermi-Hubbard model, which is a minimal model for strongly correlated electronic solids. In measurements of disorder-induced localization obtained via mass transport, we detect interaction-driven delocalization and localization that persists as the temperature of the gas is raised. These behaviors are consistent with many-body localization, which is a novel paradigm for understanding localization in interacting quantum systems at non-zero temperature.

연구 동기 및 목표

• 불규칙성과 상호작용이 존재하는 강한 상관관계가 있는 양자 시스템에서 국소화의 안정성을 조사하기 위해.
• 열 저장소가 없는 닫힌 양자 시스템에서 다체 국소화가 지속될 수 있는지 확인하기 위해.
• 초냉각 원자에서 열화를 억제하는 상호작용과 불규칙성의 상호작용을 관찰하기 위해.
• 강한 상관관계를 가진 전자에 대한 최소 모델에서 탈국소화 상태와 국소화 상태 사이의 전이를 탐구하기 위해.

제안 방법

• 제어 가능한 불규칙성을 가진 3차원 광학 격자에 초냉각 페르미온 원자를 이용하여 비균일한 페르미-허브드 모델을 실현하기 위해.
• 질량 이동을 유도하고 국소화 동역학을 탐사하기 위해 공간적으로 비균일한 위치 에너지를 적용하기 위해.
• 열적 행동과 국소화 행동을 구분하기 위해 국소적 외란에 대한 시스템의 반응을 측정하기 위해.
• 온도를 높여가며 시스템의 진화를 모니터링하여 국소화의 안정성을 시험하기 위해.
• 시간에 따른 비행 영상과 현장 밀도 측정을 사용하여 이동성과 국소화 성질을 추출하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열 저장소가 없는 강한 상호작용을 보이는 닫힌 양자 시스템에서 다체 국소화를 관찰할 수 있는가?
• RQ2 불규칙성이 존재하는 조건에서 상호작용은 국소화의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 시스템의 온도가 증가하더라도 국소화가 유지되는가? 이는 유한 에너지 상태에서 비에르고딕 상태임을 시사하는가?
• RQ4 초냉각 원자 시스템에서 다체 국소화 행동과 열화를 구별하는 서명은 무엇인가?

주요 결과

• 온도가 상승함에도 불구하고 지속되는 불규칙성 유도 국소화 상태를 나타내어 열화가 억제됨을 시사한다.
• 상호작용 유도 탈국소화가 관측되어 상관관계가 국소화 행동을 수정하는 데서 기여함을 보여준다.
• 이동성 측정에서 강건한 국소화가 확인되어 다체 국소화 상의 존재와 일치한다.
• 장시간에 걸쳐 열화가 발생하지 않음을 확인하여, 비제로 온도에서도 비에르고딕이고 국소화된 상태에 머물러 있음을 확인한다.