[论文解读] Realization of anomalous Floquet topological phases with ultracold atoms

Karen Wintersperger, Christoph Braun+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2020

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用 5

一句话总结

该论文通过周期性驱动的六角光晶格中的超冷玻色子原子，实验实现了反常Floquet拓扑相。通过测量能隙和局域霍尔偏转，作者提取了完整的拓扑不变量集——揭示了尽管陈数为零，仍存在稳健的螺旋边缘模式——从而实现了对非平凡反常Floquet系统的完整拓扑表征。

ABSTRACT

Coherent control via periodic modulation, also known as Floquet engineering, has emerged as a powerful experimental method for the realization of novel quantum systems with exotic properties. In particular, it has been employed to study topological phenomena in a variety of different platforms. In driven systems, the topological properties of the quasienergy bands can often be determined by standard topological invariants, such as Chern numbers, which are commonly used in static systems. However, due to the periodic nature of the quasienergy spectrum, this topological description is incomplete and new invariants are required to fully capture the topological properties. Most prominently, there exist two-dimensional anomalous Floquet systems that exhibit robust chiral edge modes, despite all Chern numbers are equal to zero. Here, we realize such a system with bosonic atoms in a periodically-driven hexagonal lattice and infer the complete set of topological invariants from energy gap measurements and local Hall deflections.

研究动机与目标

• 通过周期性驱动的六角晶格中的超冷玻色子原子，实验实现二维反常Floquet拓扑相。
• 克服标准拓扑不变量（如陈数）在周期性驱动系统中的局限性。
• 通过超越陈数的完整不变量集，全面表征反常Floquet系统的拓扑性质。
• 通过直接实验观测，证明在陈数为零的系统中存在稳健的螺旋边缘模式。

提出的方法

• 利用周期性驱动的六角光晶格，为超冷玻色子原子构建时间周期性哈密顿量。
• 测量准能量谱的能隙，以探测拓扑相变。
• 观测原子波包的局域霍尔偏转，以检测螺旋边缘模式。
• 结合能隙与霍尔响应数据，推断完整的拓扑不变量集。
• 应用扩展拓扑分类理论框架，超越陈数，以描述反常Floquet系统。
• 通过周期调制（Floquet工程）实现相干控制，以访问静态系统中无法实现的非平凡拓扑态。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能在超冷原子系统中实验实现具有零陈数和稳健螺旋边缘模式的反常Floquet拓扑相？
• RQ2 哪组拓扑不变量能完全表征反常Floquet系统超越标准陈数的拓扑性质？
• RQ3 如何通过实验验证在陈数为零的系统中螺旋边缘模式的存在？
• RQ4 能隙测量与霍尔偏转信号在多大程度上可用于重建驱动系统中的完整拓扑不变量结构？
• RQ5 Floquet工程是否可用于实现并探测在缺乏传统拓扑不变量情况下的非平凡边缘输运拓扑相？

主要发现

• 实验成功实现了二维反常Floquet拓扑相，尽管所有陈数均为零，但仍表现出稳健的螺旋边缘模式。
• 通过结合能隙与局域霍尔偏转测量数据，推断出完整的拓扑不变量集。
• 局域霍尔偏转提供了在无非零陈数条件下螺旋边缘模式存在的直接实验证据。
• 能隙测量确认了拓扑相变的发生以及非平凡拓扑相的存在。
• 结果表明，驱动系统中的拓扑表征需要超越陈数的不变量，验证了理论预测。
• 本研究建立了一套实验方法，用于利用超冷原子访问并验证反常Floquet系统中的拓扑不变量。