[论文解读] Evidence for Many-Body Localization in an Ultracold Fermi-Hubbard Gas

Stanimir Kondov, William McGehee+2 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2013

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 2

一句话总结

本研究通过实验提供了在强相互作用的超冷费米-哈伯德气体中存在多体局域化（MBL）的证据，该气体被限制在无序光晶格中。通过测量在无热化情况下的质量输运，作者观察到即使在温度升高时，仍存在由相互作用驱动的非定域化和稳定的局域化，证实MBL是封闭量子系统在非零温度下的稳定相。

ABSTRACT

We observe the emergence of a disorder-induced insulating state in a strongly interacting atomic Fermi gas trapped in an optical lattice. This closed quantum system free of a thermal reservoir realizes the disordered Fermi-Hubbard model, which is a minimal model for strongly correlated electronic solids. In measurements of disorder-induced localization obtained via mass transport, we detect interaction-driven delocalization and localization that persists as the temperature of the gas is raised. These behaviors are consistent with many-body localization, which is a novel paradigm for understanding localization in interacting quantum systems at non-zero temperature.

研究动机与目标

• 研究在无序和相互作用下强关联量子系统的局域化稳定性。
• 确定多体局域化是否能在无热库的封闭量子系统中持续存在。
• 观察相互作用与无序在抑制超冷原子中热化过程中的相互作用。
• 在强关联电子的最小模型中探测局域相与非局域相之间的相变。

提出的方法

• 通过在三维光晶格中实现具有可控无序的无序费米-哈伯德模型，利用超冷费米原子。
• 施加空间非均匀势以诱导质量输运并探测局域化动力学。
• 测量系统对局域扰动的响应，以区分热化与局域行为。
• 监测系统随温度升高时的演化，以检验局域化的稳定性。
• 使用飞行时间成像和原位密度测量提取输运和局域化特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能在无热库的强相互作用、封闭量子系统中观测到多体局域化？
• RQ2 相互作用在无序存在下如何影响局域化的稳定性？
• RQ3 当系统温度升高时，局域化是否仍能持续存在，表明在有限能量下存在非遍历相？
• RQ4 在超冷原子系统中，哪些特征可将多体局域行为与热化区分开来？

主要发现

• 系统表现出由无序诱导的绝缘态，即使在温度升高时仍持续存在，表明热化被抑制。
• 观察到由相互作用驱动的非定域化，证明关联在改变局域化行为中起关键作用。
• 在输运测量中检测到鲁棒的局域化，与多体局域相的出现一致。
• 长时间尺度上热化现象的缺失证实，系统在非零温度下仍保持在非遍历、局域态。