[論文レビュー] Interference of fractionalized quasiparticles in AIII topological insulators

Carlos G. Velasco, Belén Paredes|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、1次元の超低温原子系を用いたAIIIトポロジカル絶縁体クラスの実現を提案し、運動量空間に局在化するエッジモードとして分離可能な準粒子が出現することを示す。クイエンチングにより、粒子の両半分が逆方向に移動し、干渉しながらも1/2準粒子としての同一性を保ち、運動量空間像像技術により分離の直接観測が可能になる。

ABSTRACT

Fractionalization in one-dimensional topological insulators has not been yet directly observed. Moreover, novel symmetry classes of topological insulators like the AIII class lack experimental realization. Our work might open possibilities for both challenges. We propose a one-dimensional model realizing the AIII symmetry class which can be realized in current experiments with ultracold atomic gases. We further report on a remarkable property of topological edge modes: they are localized in momentum space. This opens a path for the direct observation of fractionalization by imaging the momentum distribution of the particles. Furthermore, we exploit the simultaneous sharp definition of the edge modes in position and momentum, to design a quench protocol in which the two halves of an atom move in opposite directions and interfere with each other, preserving their identity as 1/2-quasiparticles.

研究の動機と目的

• 制御可能な超低温原子系の設定において、AIII対称性クラスのトポロジカル絶縁体を実現すること。
• この系におけるトポロジカルエッジモードが運動量空間に局在化することを示し、分離の直接的検出を可能にすること。
• 1/2準粒子としての同一性を保ちつつ、それらの干渉を可能にするクイエンチプロトコルを設計すること。

提案手法

• キラル対称性を有する1次元タイトバインディング模型を構築し、AIIIトポロジカル絶縁体クラスを実現する。
• 光格子中の超低温原子系を用いて、トンネル項と相互作用を実験的に制御可能なモデルを模擬する。
• 粒子が空間的に分離した二つの部分に分割され、逆方向に時間発展するクイエンチプロトコルを設計する。
• 位置空間と運動量空間の両方でエッジモードが局在化することを活用し、ダイナミクス中における準粒子同一性を維持する。
• クイエンチ後の運動量分布を解析し、分離の兆候を示す干渉パターンを検出する。
• 運動量空間における鋭い局在化を活用し、直接的に分離準粒子を像像・同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の超低温原子系実験でAIIIトポロジカル絶縁体クラスを実現可能か？
• RQ2 AIIIクラスのトポロジカルエッジモードは運動量空間でどのように振る舞い、そこへ局在化可能か？
• RQ3 クイエンチプロトコルは1/2準粒子としての同一性を保ちつつ、それらの干渉を可能にするか？
• RQ4 運動量空間像像技術により、このような系における分離が直接的に可視化可能か？
• RQ5 位置空間と運動量空間の両方での局在化が、分離準粒子干渉の観測を可能にする役割は何か？

主な発見

• 1次元タイトバインディング模型にキラル対称性を導入することで、現在の超低温原子系実験でAIIIトポロジカル絶縁体クラスを実現可能である。
• 本系におけるトポロジカルエッジモードは運動量空間に局在化しており、分離の直接的検出を可能にする重要な特徴である。
• クイエンチプロトコルにより、粒子の両半分が干渉を示し、1/2準粒子としての同一性を保ったまま進化する。
• クイエンチ後の運動量空間像像により、分離準粒子の存在を直接示す干渉パターンが観測される。
• 位置空間と運動量空間の両方での局在化が、非平衡ダイナミクス中における準粒子同一性の安定化に寄与する。
• 提案された実験的設定により、1次元トポロジカル絶縁体における分離の初の直接実験的観測が可能になる道筋が示された。