[论文解读] Observation of a dynamical topological phase transition

Nick Fläschner, Dominik Vogel+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2016

Quantum many-body systems参考文献 31被引用 149

一句话总结

本文首次观测到在两种晶格哈密顿量之间的淬灭后，费米多体态的动态相变；通过超冷原子的时间分辨态层析来跟踪倒易空间中的涡旋，作为动态拓扑序参数。

ABSTRACT

Phase transitions are a fundamental concept in science describing diverse phenomena ranging from, e.g., the freezing of water to Bose-Einstein condensation. While the concept is well-established in equilibrium, similarly fundamental concepts for systems far from equilibrium are just being explored, such as the recently introduced dynamical phase transition (DPT). Here we report on the first observation of a DPT in the dynamics of a fermionic many-body state after a quench between two lattice Hamiltonians. With time-resolved state tomography in a system of ultracold atoms in optical lattices, we obtain full access to the evolution of the wave function. We observe the appearance, movement, and annihilation of vortices in reciprocal space. We identify their number as a dynamical topological order parameter, which suddenly changes its value at the critical times of the DPT. Our observation of a DPT is an important step towards a more comprehensive understanding of non-equilibrium dynamics in general.

研究动机与目标

• 推动对超过平衡相变的非平衡动力学的研究。
• 证明在费米多体系统中实现对动态相变(DPT)的实验观察。
• 表明在倒易空间中的涡旋数量和运动可作为动态拓扑序参量。
• 通过在光晶格装置中进行态层析，提供对波函数演化的全面访问。

提出的方法

• 在两种晶格哈密顿量之间对费米多体系统进行淬灭。
• 进行时间分辨的态层析以获得波函数的演化。
• 在动量（倒易）空间中识别并计算涡旋，作为一种动态拓扑特征。
• 跟踪涡旋的出现、运动和湮灭，以定位DPT的临界时刻。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在费米多体态的非平衡动力学中观测到动态相变？
• RQ2 倒易空间中的涡旋是否作为在DPT过程中在临界时刻发生变化的动态拓扑序参量？
• RQ3 波函数的演化在非平衡动力学中如何体现拓扑性质？

主要发现

• 在淬灭后的动力学中，倒易空间中的涡旋出现、移动并湮灭。
• 这些涡旋的数量作为动态拓扑序参量，在临界时刻发生变化。
• 这为非平衡量子系统中动态相变提供了实验证据。