[論文レビュー] Observation of Non-Hermitian Skin Effect and Topology in Ultracold Atoms

Qian Liang, Dizhou Xie+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2022

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、超低温87Rb原子を用いた5サイトのボーズ＝アインシュタイン凝縮体における合成運動量格子において、非エルミート的スキン効果（NHSE）およびトポロジカル的エッジ状態の実験的証明がなされた。ラーマンおよびブレッグ結合を用いて設計された散逸的アハラノフ＝ボーム鎖を介し、著者らは方向性を持つバルク流れを観測し、ブレッグ分光法を用いて禁制帯内のトポロジカル的エッジ状態を解明した。$ J_t/J_p \sim 1 $ における非ブローチェ型トポロジカル相転移が確認され、これは量子 degenerate 原子系における NHSE の初回観測である。

ABSTRACT

The non-Hermitian skin effect (NHSE), the accumulation of eigen wavefunctions at boundaries of open systems, underlies a variety of exotic properties that defy conventional wisdom. While NHSE and its intriguing impact on band topology and dynamics have been observed in classical or photonic systems, their demonstration in a quantum many-body setting remains elusive. Here we report the experimental realization of a dissipative Aharonov-Bohm chain -- a non-Hermitian topological model with NHSE -- in the momentum space of a two-component Bose-Einstein condensate. We identify unique signatures of NHSE in the condensate dynamics, and perform Bragg spectroscopy to resolve topological edge states against a background of localized bulk states. Our work sets the stage for further investigation on the interplay of many-body statistics and interactions with NHSE, and is a significant step forward in the quantum control and simulation of non-Hermitian physics.

研究の動機と目的

• 量子縮退原子系において、非エルミート的スキン効果（NHSE）を示す非エルミート的トポロジカルハミルトニアンを実験的に実現すること。
• 有限サイズの散逸的アハラノフ＝ボーム鎖における凝縮体ダイナミクスを通じて、NHSE の動的シグネチャーを同定すること。
• 合成運動量格子におけるブレッグ分光法を用いて、局在化したバルクモードの存在下でもトポロジカル的エッジ状態を解明すること。
• 有限サイズ系における非ブローチェ型トポロジカル相転移をプローブし、非ブローチェバンド理論との整合性を検証すること。
• 超低温原子を用いたプラットフォームを構築し、非エルミート的量子系における多体効果、相互作用、および不規則性を研究すること。

提案手法

• 87Rbボーズ＝アインシュタイン凝縮体におけるラーマンおよびブレッグ過程を用いて、5サイトの散逸的アハラノフ＝ボーム鎖としての合成運動量格子を設計した。
• 多周波数レーザー結合を用いて、サイト特異的な遷移を実現し、合成磁場フラックスを導入するとともに、$^5P_{3/2}$ マニフォールドへの結合によって散逸を誘導した。
• 凝縮体を中央の運動量状態に初期化し、境界に向かう方向性のあるバルク流れを観測することで、NHSE に起因する固有状態の境界付近への局在化を確認した。
• 鎖の端にプローブ状態を結合させることでブレッグ分光法を実施し、固有スペクトルにアクセスし、禁制帯内エッジ状態を検出した。
• 実験スペクトルを二重ガウス関数でフィッティングし、谷の位置と幅を抽出した。これにより、二重谷構造から単一谷構造への遷移が明らかになった。
• トポロジカル転移を定量化するため、距離対幅比 $ r = \Delta\delta / 2w $ を定義した。$ J_t/J_p \sim 1 $ で $ r $ が約1.5から0に低下するのを観測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非エルミート的スキン効果は、量子縮退原子系で実験的に観測可能か？
• RQ2 有限サイズの非エルミート格子における凝縮体の時間発展において、NHSE の動的シグネチャーはどのように現れるか？
• RQ3 合成運動量格子におけるブレッグ分光法を用いて、局在化したバルクモードの存在下でもトポロジカル的エッジ状態を解明できるか？
• RQ4 観測された相転移は、従来のブローチェ理論ではなく、非ブローチェバンド理論と整合するか？
• RQ5 有限サイズ効果は、非エルミート的トポロジーの分光的検出にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 凝縮体ダイナミクスにおいて方向性のあるバルク流れが観測され、これは境界付近への固有状態の局在化を示すNHSEの存在を確認した。
• ブレッグ分光法により、スペクトル応答において二重谷構造から単一谷構造への遷移が観測され、禁制帯内にトポロジカル的エッジ状態の出現を示した。
• 距離対幅比 $ r = \Delta\delta / 2w $ が $ J_t/J_p \sim 1 $ の周辺で約1.5から0に低下した。これは非ブローチェ理論と整合するトポロジカル相転移を示した。
• 観測された転移点 $ J_t/J_p \sim 1 $ は、理論的予測値 $ J_t/J_p \sim 1.04 $ と良好に一致しており、非ブローチェ型バルク-境界対応を支持した。
• デコherenceおよび不均一な幅の拡大による分解能制限（約300 Hz）にもかかわらず、トポロジカル相転移の検出が可能であった。
• 有限サイズ系では、完全なギャップが閉じていないにもかかわらず、明確な分光的シグネチャーとしてのトポロジカル相転移が観測された。