[논문 리뷰] Microscopy of the interacting Harper-Hofstadter model in the few-body limit

M. Eric Tai, Alexander Lukin외 8명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 16.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 초냉각 원자로 구성된 광학 격자에서 허버-호프스타터 해밀토니안에 의해 지배되는 몇 몸입자, 이중다리 래더 시스템에서 상호작용 유도 측면의 동적 거울 대칭성 파괴를 보여준다. 양자 기체 현미경을 통해 저자들은 상호작용이 입자-홀 대칭성을 깨뜨리며, 측면 모드의 선호적 인발을 유도함으로써, 높은 공간 해상도와 낮은 불순물 농도를 갖는 조절 가능한 실공간 격자 플랫폼에서 토폴로지적 동역학을 미세 조절할 수 있음을 관찰한다.

ABSTRACT

The interplay of magnetic fields and interacting particles can lead to exotic phases of matter exhibiting topological order and high degrees of spatial entanglement. While these phases were discovered in a solid-state setting, recent techniques have enabled the realization of gauge fields in systems of ultracold neutral atoms, offering a new experimental paradigm for studying these novel states of matter. This complementary platform holds promise for exploring exotic physics in fractional quantum Hall systems due to the microscopic manipulation and precision possible in cold atom systems. However, these experiments thus far have mostly explored the regime of weak interactions. Here, we show how strong interactions can modify the propagation of particles in a $2 imes N$, real-space ladder governed by the Harper-Hofstadter model. We observe inter-particle interactions affect the populating of chiral bands, giving rise to chiral dynamics whose multi-particle correlations indicate both bound and free-particle character. The novel form of interaction-induced chirality observed in these experiments demonstrates the essential ingredients for future investigations of highly entangled topological phases of many-body systems.

연구 동기 및 목표

• 합성 양자장에서 유한하고 실공간 래더에서 강한 상호작용이 측면 모드의 동역학을 어떻게 수정하는지 조사하기 위해.
• 비상호작용 입자가 측면 운동을 나타내지 않는 시스템에서 다체 상관관계와 상호작용이 측면성을 어떻게 유도하는지 탐색하기 위해.
• 초냉각 원자를 사용하여 몇 몸입자 시스템에서 토폴로지 상을 연구할 수 있는 조절 가능하고 낮은 불순물 농도의 플랫폼을 구축하기 위해.
• 합성 격자에서 비평형 동역학과 잠재적 평형 토폴로지 기저 상태 사이의 연결 고리를 설정하기 위해.
• 고해상도 단일 위치 측정을 통해 이론적 예측된 상호작용 유도 측면 밴드 인발을 검증하기 위해.

제안 방법

• Raman 보조 터널링을 사용하여 2×N 광학 격자에서 인위적 균일한 게이지장을 갖는 허버-호프스타터 해밀토니안을 실현하고, 각 셀당 플라켓의 스위치 조절 가능하게 조절한다.
• 실시간으로 원자 밀도 분포와 질량중심 운동을 단일 위치 해상도로 영상 촬영하기 위해 양자 기체 현미경을 사용한다.
• 비평형 동역학을 탐색하기 위해 각 러닝에 대해 입자 수와 공간 분포가 잘 정의된 다체 초기 상태를 준비한다.
• 래더를 따라 공간 해상도로 질량중심 궤적을 측정하여, x와 y 방향 간의 게이지장 유도된 결합으로 인한 측면 운동의 증거가 되는 비틀림을 탐지한다.
• 피에조 전기 제어를 통해 Raman 빔의 파동수 벡터를 조절하여 플라켓당 스위치를 정밀하게 校정 가능하게 한다. 이는 합성 자기장 스위치 Φ를 정밀하게 제어할 수 있게 한다.
• 원자 수 감쇠 측정을 통해 가열 속도를 정량화하여, 다양한 스위치 조건에서 시스템의 안정성과 코herence 시간을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 합성 게이지장 하에서 몇 몸입자, 이중다리 래더에서 강한 상호작용은 측면 모드의 동역학을 어떻게 수정하는가?
• RQ2 비상호작용 입자가 좌우 대칭성을 유지하는 시스템에서 상호작용이 측면 운동을 유도할 수 있는가?
• RQ3 상호작용 존재 하에서 다체 상관관계가 측면 밴드의 인발에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 양자 기체 현미경을 사용하여 단일 입자 및 몇 몸입자 수준에서 측면 동역학을 얼마나 잘 제어하고 관측할 수 있는가?
• RQ5 합성 스위치와 상호작용 강도에 따라 시스템의 코herence 및 가열 행동은 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 상호작용은 좌우로 움직이는 입자 간 대칭성을 깨뜨려, 비상호작용 입자가 순수 측면성이 없더라도 측면 동역학을 유도한다.
• 입자 전파에서 비틀림이 관찰되며, 운동 방향에 따라 래더의 한쪽 다리로의 편향이 나타나, x와 y 방향 간 루렌츠력 유사한 결합이 존재함을 시사한다.
• 이론적 모델링은 상호작용이 산산이 흩어지는 상태와 결합 상태를 모두 생성하며, 이들의 인발이 관측된 측면 동역학을 지배함을 보여준다.
• 단일 입자 질량중심 운동이 이론과 뛰어난 일치를 보이며, 실험 설정의 낮은 불순물 농도와 높은 정밀도를 확인한다.
• Φ=π/3에서 단일 입자 동역학의 가열 속도는 무시할 만큼 작으며, 통계 오차 범위 내에서 진공 제한 수명과 구분되지 않는다.
• 두 입자 시스템에서는 다양한 스위치 값(Φ=π/3, −π/3, π/2, π)에서 가열 속도가 낮게 유지되며, 평균 감쇠 속도는 약 0.015 s⁻¹로 나타나, 몇 몸입자 연구에 적합한 양호한 코herence를 보여준다.