[论文解读] Interference of fractionalized quasiparticles in AIII topological insulators

Carlos G. Velasco, Belén Paredes|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用 9

一句话总结

本文提出了一种在一维超冷原子气体中实现AIII拓扑绝缘体相的方法，其中分数化准粒子作为动量空间局域的边缘模式出现。通过淬火过程，粒子的两半向相反方向运动并在保持其作为1/2-准粒子身份的同时发生干涉，从而可通过动量空间成像直接观测到分数化现象。

ABSTRACT

Fractionalization in one-dimensional topological insulators has not been yet directly observed. Moreover, novel symmetry classes of topological insulators like the AIII class lack experimental realization. Our work might open possibilities for both challenges. We propose a one-dimensional model realizing the AIII symmetry class which can be realized in current experiments with ultracold atomic gases. We further report on a remarkable property of topological edge modes: they are localized in momentum space. This opens a path for the direct observation of fractionalization by imaging the momentum distribution of the particles. Furthermore, we exploit the simultaneous sharp definition of the edge modes in position and momentum, to design a quench protocol in which the two halves of an atom move in opposite directions and interfere with each other, preserving their identity as 1/2-quasiparticles.

研究动机与目标

• 在可控的超冷原子气体系统中实现拓扑绝缘体的AIII对称性类。
• 证明该系统中的拓扑边缘模式在动量空间局域，从而实现分数化的直接探测。
• 设计一种淬火方案，使1/2-准粒子的身份得以保持，同时实现其相干干涉。

提出的方法

• 构建具有螺旋对称性的的一维紧束缚模型，以实现AIII拓扑绝缘体类。
• 利用光学晶格中的超冷原子气体模拟所提出的模型，利用实验对隧穿和相互作用的精确控制。
• 设计一种淬火方案，使一个粒子被分裂为两个空间分离的半部分，分别向相反方向演化。
• 利用边缘模式在位置空间和动量空间同时局域的特性，确保准粒子身份在动力学过程中得以保持。
• 分析淬火后的动量分布，以检测表明分数化的干涉图案。
• 利用动量空间中的强局域化特性，直接成像并识别分数化准粒子。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前的超冷原子气体实验能否实现AIII拓扑绝缘体类？
• RQ2 AIII类中的拓扑边缘模式在动量空间中如何行为？能否在动量空间中实现局域化？
• RQ3 能否设计一种淬火方案，使1/2-准粒子的身份得以保持，同时实现其相干干涉？
• RQ4 能否通过动量空间成像直接揭示此类系统中的分数化现象？
• RQ5 位置空间和动量空间的同时局域在实现分数化准粒子干涉观测中起到何种作用？

主要发现

• 通过具有螺旋对称性的一维紧束缚模型，可在当前的超冷原子气体实验中实现AIII拓扑绝缘体类。
• 该系统中的拓扑边缘模式在动量空间中局域，这是实现分数化直接探测的关键特征。
• 淬火方案导致粒子两半发生相干干涉，同时保持其作为1/2-准粒子的身份。
• 淬火后的动量空间成像揭示了干涉图案，直接表明了分数化准粒子的存在。
• 位置空间和动量空间的同时局域在非平衡动力学过程中稳定了准粒子的身份。
• 所提出的实验设置为首次直接观测一维拓扑绝缘体中的分数化现象提供了可行路径。