[论文解读] Creating quantum many-body scars through topological pumping of a 1D dipolar gas

Wil Kao, Kuan-Yu Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 10

一句话总结

该论文展示了一种拓扑泵浦协议，用于在镝原子的一维偶极玻色气体中创建量子多体疤痕态的层级结构。通过循环调节接触相互作用（利用约束诱导共振），同时利用长程偶极相互作用实现稳定，系统实现了量子几何全息（quantum holonomy），将本征态泵浦至能谱更高能级，其中亚稳态的超 Tonks-Girardeau 态作为关键疤痕态，通过多个全息循环中的刚性模量和能量密度测量得到实验验证。

ABSTRACT

Quantum many-body scars, long-lived excited states of correlated quantum chaotic systems that evade thermalization, are of great fundamental and technological interest. We create novel scar states in a bosonic 1D quantum gas of dysprosium by stabilizing a super-Tonks-Girardeau gas against collapse and thermalization with repulsive long-range dipolar interactions. Stiffness and energy density measurements show that the system is dynamically stable regardless of contact interaction strength. This enables us to cycle contact interactions from weakly to strongly repulsive, then strongly attractive, and finally weakly attractive. We show that this cycle is an energy-space topological pump (due to a quantum holonomy). Iterating this cycle offers an unexplored topological pumping method to create a hierarchy of quantum many-body scar states.

研究动机与目标

• 展示一种新颖的拓扑泵浦机制，用于在连续非晶格系统中生成量子多体疤痕态的层级结构。
• 在强吸引力作用下稳定一维偶极玻色气体中的超 Tonks-Girardeau 气体，实现接触相互作用的循环调节。
• 表明长程偶极相互作用可将超 Tonks-Girardeau 态的稳定性提升至仅靠短程相互作用无法达到的程度。
• 通过全息循环中的刚性模量和能量密度测量，实验验证非热、长寿命激发态（疤痕态）的存在。

提出的方法

• 通过外部磁场控制相互作用强度和符号，利用两个约束诱导共振（CIRs）在镝原子的一维偶极玻色气体中循环调节一维接触相互作用强度。
• 利用长程偶极相互作用稳定系统，防止在强吸引力区域发生坍塌，从而实现从弱排斥到强吸引再返回的完整相互作用循环调节。
• 实施一种实现量子全息的协议：在单个循环后，系统的哈密顿量恢复初始形式，但多体波函数被泵浦至更高能级的本征态。
• 通过测量刚性模量（R）和能量密度（E/N）来区分热态与非热态，非热行为表明存在疤痕态。
• 结合实验数据与理论建模，包括贝特 ansatz 预测和正则化的一维偶极-偶极相互作用修正，以验证结果。
• 在不同磁场角度（θ = 0°, 55°, 90°）下进行测量，以分离偶极相互作用的影响，并确认疤痕态在不同偶极相互作用强度下的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在连续非晶格的一维量子多体系统中实现拓扑泵浦协议，以生成量子多体疤痕态的层级结构？
• RQ2 在强吸引力接触相互作用下，长程偶极相互作用是否能稳定一维偶极玻色气体中的超 Tonks-Girardeau 态，从而实现完整的相互作用循环调节？
• RQ3 偶极相互作用在多大程度上改变约束诱导共振（CIRs）的位置或性质，是否存在可观测的分子结合能位移？
• RQ4 如何在强关联量子气体中实验识别并区分非热、长寿命激发态（疤痕态）与热态？
• RQ5 量子全息在非可积系统中如何实现多体本征态在能量空间的泵浦？

主要发现

• 由于偶极相互作用的稳定作用，系统在所有相互作用区域（包括强排斥与强吸引）均表现出动态稳定性。
• 在吸引区域中，超 Tonks-Girardeau（sTG）态被稳定，刚性模量与能量密度测量证实其非热特性。
• 全息循环中刚性模量测量（R）与贝特 ansatz 预测高度一致，证实疤痕态的存在。
• 系统行为在不同偶极相互作用强度（θ = 0°, 55°, 90°）下保持鲁棒，仅因偶极修正导致 R 值出现微小偏移，与理论模型一致。
• 在实验分辨率范围内，未观测到约束诱导共振（CIRs）位置的可测量位移，即使偶极相互作用强度变化亦然。
• 该协议实现了此前未观测到的拓扑泵浦形式——通过量子全息实现的能量空间泵浦，即每个循环后本征态被泵浦至更高能级，形成疤痕态的层级结构。