[论文解读] Floquet topological insulators: from band structure engineering to novel non-equilibrium quantum phenomena

Mark S. Rudner, Netanel H. Lindner|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 156被引用 12

一句话总结

本文综述了弗洛凯拓扑绝缘体（FTIs），展示了如何通过时间周期性驱动在量子系统中构建拓扑能带结构。文章识别出三种稳定策略——预热化、多体局域化以及浴工程——以抑制加热效应，从而实现对拓扑相的鲁棒保护，使冷原子、光子系统和固态系统中可观测到量子化输运和非平衡拓扑序。

ABSTRACT

We review methods for using time-periodic fields (e.g., laser or microwave fields) to induce non-equilibrium topological phenomena in quantum many-body systems. We discuss how such fields can be used to change the topological properties of the single particle spectrum, and key experimental demonstrations in solid state, cold atomic, and photonic systems. The single particle Floquet band structure provides a stage on which the system's dynamics play out; the crucial question is then how to obtain robust topological behaviour in the many-particle setting. In the regime of mesoscopic transport, we discuss manifestations of topological edge states induced in the Floquet spectrum. Outside the context of mesoscopic transport, the main challenge of inducing stable topological phases in many-body Floquet systems is their tendency to absorb energy from the drive and thereby to heat up. We discuss three routes to overcoming this challenge: long-lived transient dynamics and prethermalization, disorder-induced many-body localization, and engineered couplings to external baths. We discuss the types of phenomena that can be explored in each of these regimes, and their experimental realizations.

研究动机与目标

• 提供对弗洛凯拓扑绝缘体（FTIs）及其在量子多体系统中通过时间周期性驱动产生的全面综述。
• 识别并分析周期性驱动系统中加热的根本挑战，该挑战可能破坏拓扑序。
• 探索并比较三种主要策略——预热化、由无序诱导的多体局域化以及与外部浴的工程化耦合——在稳定长寿命拓扑相方面的作用。
• 将理论框架与冷原子、光子系统和固态平台中的实验实现相联系。
• 概述实现非平衡量子物质中鲁棒、量子化拓扑响应的开放挑战与未来方向。

提出的方法

• 利用弗洛凯理论分析周期性驱动的量子系统，将时间周期性哈密顿量映射为有效的时间无关弗洛凯哈密顿量。
• 应用拓扑不变量（如陈数）对弗洛凯-布洛赫能带进行分类，识别由周期性驱动诱导的拓扑非平庸相。
• 分析FTIs中的介观输运，表明在驱动晶格势场下，边缘态具有鲁棒的量子化特性。
• 研究预热化作为延迟热化机制的作用，使拓扑动力学在能量吸收占主导前得以长期维持。
• 研究驱动系统中的多体局域化（MBL），其中无序抑制热化，从而稳定拓扑序。
• 提出通过能量选择性滤波器和腔环境实现浴工程，以抑制不必要的耗散和光子/声子发射，从而保持拓扑边缘态的相干性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用时间周期性驱动在量子系统中构建拓扑非平庸能带结构？
• RQ2 在系统倾向于吸收能量并升温的背景下，哪些机制可使拓扑序在驱动多体系统中持续存在？
• RQ3 在何种参数范围内，预热化或多体局域化可稳定弗洛凯系统中的拓扑相？
• RQ4 如何通过与外部浴的工程化耦合来抑制固态和冷原子FTI平台中的退相干与加热？
• RQ5 哪些实验平台——如光子晶格、超冷原子或固态异质结构——可实现并探测稳定的FTI相？

主要发现

• 时间周期性驱动可在电子系统、冷原子系统和光子系统中诱导出拓扑非平庸的弗洛凯-布洛赫能带，已在超冷原子和光子晶格的实验中得到验证。
• 预热化通过延迟热化，使拓扑动力学得以长期维持，从而在加热效应显现前可观测到量子化输运。
• 在无序驱动系统中，多体局域化可抑制热化，即使在存在相互作用的情况下也能稳定拓扑序。
• 通过工程化设计的浴和能量选择性滤波器可抑制不必要的隧穿及光子/声子发射，从而最小化加热并保持边缘态相干性。
• 浴工程，包括通过腔调控特定能量处的玻色模式，可稳定所需的非平衡拓扑稳态。
• 当加热和耗散得到有效控制时，FTIs中可实现对输运系数（如以 $e^2/h$ 为单位的电导）的鲁棒量子化。