[论文解读] Observation of a symmetry-protected topological phase with ultracold fermions

Bo Song, Long Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 2被引用 4

一句话总结

本研究首次通过超冷费米子在一维光晶格中实验观测到由磁性空间群和非局域手征对称性保护的对称性保护拓扑（SPT）相。通过高对称动量处的布洛赫态探测拓扑性质，并在淬火协议中揭示出明显的非平衡自旋动力学，展示了与拓扑相关的弛豫行为。

ABSTRACT

Symmetry plays a fundamental role in understanding complex quantum matters, in particular, in classifying topological quantum phases which have attracted great interests in the recent decade. An outstanding example is the time-reversal invariant topological insulator, a symmetry-protected topological (SPT) phase in symplectic class of the Altland-Zirnbauer classification. Here, we report the first observation for ultracold atoms of a new SPT phase in a one-dimensional optical lattice, and study quench dynamics between topologically distinct phases. The observed SPT phase is protected by a magnetic group and a nonlocal chiral symmetry, with its topology being measured via Bloch states at symmetric momenta. The topology also resides in far-from-equilibrium spin dynamics, which are predicted and observed in experiment to exhibit qualitatively distinct behaviors in quenching to trivial and nontrivial phases, revealing a deep topology-dependent spin relaxation dynamics. This work opens the way to expanding the scope of SPT phases with ultracold atoms and studying non-equilibrium quantum dynamics in such exotic phases.

研究动机与目标

• 在超冷费米子中实验实现并表征一种新的对称性保护拓扑（SPT）相。
• 研究磁性空间群与非局域手征对称性在保护一维系统中拓扑序中的作用。
• 通过高对称动量处的布洛赫态探测SPT相的拓扑性质。
• 通过淬火协议探索非平衡动力学，特别是自旋弛豫行为，以研究平庸相与非平庸相的差异。
• 建立拓扑不变量与超冷原子系统中远离平衡量子动力学之间的联系。

提出的方法

• 在超冷费米原子中实现一维光晶格以承载SPT相。
• 设计具有磁性空间群和非局域手征对称性的哈密顿量，以保护拓扑相。
• 通过高对称动量处布洛赫态提取的 Zak 相测量拓扑性质。
• 通过突然调节系统参数实施淬火动力学，以访问平庸相与非平庸相。
• 监测时间分辨的自旋动力学，以探测与拓扑相关的弛豫行为。
• 利用实验探测技术观察平庸相与非平庸相之间自旋弛豫的定性差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在一维光晶格中超冷费米子中实现并观测到一种新的对称性保护拓扑相？
• RQ2 磁性空间群与非局域手征对称性如何共同保护该系统中的拓扑序？
• RQ3 能否通过高对称动量处的布洛赫态可靠测量SPT相的拓扑性质？
• RQ4 淬火后非平衡自旋动力学中，拓扑性的特征表现为何？
• RQ5 自旋自由度的弛豫动力学在平庸相与非平庸拓扑相之间有何差异？

主要发现

• 实验成功观测到由磁性空间群和非局域手征对称性保护的对称性保护拓扑相。
• 通过高对称动量处布洛赫态的测量确认了拓扑性质，表明 Zak 相非平庸。
• 淬火动力学揭示了平庸相与非平庸相之间自旋弛豫行为的定性差异。
• 观测到的自旋动力学表现出与拓扑相关的弛豫行为，各相之间衰减模式存在明显差异。
• 结果表明，拓扑不变量可通过超冷原子系统中远离平衡的动力学过程被探测。
• 本工作为在受控的超冷原子平台中研究奇异SPT相与非平衡量子动力学奠定了基础。