[论文解读] Microscopy of the interacting Harper-Hofstadter model in the few-body limit

M. Eric Tai, Alexander Lukin+8 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2016

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 7

一句话总结

本研究利用超冷原子在光晶格中的量子气体现微镜，研究了由哈珀-霍夫斯特定理哈密顿量控制的少数体、双腿 ladder 系统中，相互作用诱导的手性动力学。通过量子气体现微镜，作者观察到排斥相互作用打破了粒子-空穴对称性，导致手性边缘模式的偏好占据，从而在可调谐、低 disorder 的实空间晶格平台上实现了对拓扑动力学的显微控制，具有高空间分辨率。

ABSTRACT

The interplay of magnetic fields and interacting particles can lead to exotic phases of matter exhibiting topological order and high degrees of spatial entanglement. While these phases were discovered in a solid-state setting, recent techniques have enabled the realization of gauge fields in systems of ultracold neutral atoms, offering a new experimental paradigm for studying these novel states of matter. This complementary platform holds promise for exploring exotic physics in fractional quantum Hall systems due to the microscopic manipulation and precision possible in cold atom systems. However, these experiments thus far have mostly explored the regime of weak interactions. Here, we show how strong interactions can modify the propagation of particles in a $2 imes N$, real-space ladder governed by the Harper-Hofstadter model. We observe inter-particle interactions affect the populating of chiral bands, giving rise to chiral dynamics whose multi-particle correlations indicate both bound and free-particle character. The novel form of interaction-induced chirality observed in these experiments demonstrates the essential ingredients for future investigations of highly entangled topological phases of many-body systems.

研究动机与目标

• 研究强相互作用在合成规范场下有限实空间 ladder 中对手性边缘动力学的调控作用。
• 探索多体关联与相互作用如何在非相互作用粒子不表现出手性运动的系统中诱导手性。
• 建立一个可调谐、低 disorder 的平台，用于利用超冷原子研究少数体系统中的拓扑相。
• 将非平衡动力学与合成晶格中潜在的平衡拓扑基态相联系。
• 通过高分辨率、单格点测量验证理论预测的相互作用驱动的手性能带占据。

提出的方法

• 通过拉曼辅助隧穿在 2×N 光晶格中实现哈珀-霍夫斯特定理哈密顿量，生成具有可调每个元胞磁通量的均匀人工规范场。
• 利用量子气体现微镜对原子密度分布和实时质心运动进行单格点分辨成像。
• 在单个横档上制备具有明确粒子数和空间分布的初始多体态，以探测非平衡动力学。
• 测量沿 ladder 的空间分辨质心轨迹，检测由于规范场引起的 x 和 y 方向耦合而产生的剪切运动，以识别手性运动。
• 通过压电控制拉曼光束波矢，调节每个元胞的磁通量，实现对合成磁通量 Φ 的精确校准。
• 通过原子数衰减测量量化加热速率，以评估不同磁通条件下系统的稳定性和相干时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 在合成规范场下，强相互作用如何改变少数体双腿 ladder 中的手性边缘动力学？
• RQ2 在非相互作用粒子在左右交换下保持对称的系统中，相互作用能否诱导手性运动？
• RQ3 在相互作用存在的情况下，多体关联在手性能带占据中起什么作用？
• RQ4 在单粒子和少数体层次上，能否通过量子气体现微镜实现对手性动力学的可控观测？
• RQ5 系统的相干性和加热行为如何随合成磁通量和相互作用强度变化？

主要发现

• 相互作用打破了左右运动粒子之间的对称性，即使在非相互作用粒子不表现出净手性的条件下，仍能诱导手性动力学。
• 系统表现出粒子传播中的剪切，其偏向 ladder 的某一侧，取决于运动方向，表明 x 和 y 方向之间存在类似洛伦兹力的耦合。
• 理论建模表明，相互作用产生了散射态和束缚态，其占据情况决定了观测到的手性动力学。
• 单粒子沿 x 方向的质心运动与理论预测高度一致，证实了实验装置中具有低 disorder 和高保真度。
• 在 Φ=π/3 时，单粒子动力学的加热速率可忽略不计，衰减时间与真空极限寿命在统计误差范围内无法区分。
• 对于双粒子系统，不同磁通值（Φ=π/3, −π/3, π/2, π）下的加热速率保持较低，平均衰减速率为 ~0.015 s⁻¹，表明少数体研究具有良好的相干性。