[论文解读] Observation of chiral edge transport in a rapidly-rotating quantum gas

Ruixiao Yao, Sungjae Chi+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 5

一句话总结

本研究通过可调谐光墙探测从软壁到硬壁区域的过渡，实现了在快速旋转的超冷量子气体中对手性边缘模式的受控注入与直接成像。关键结果为通过光谱观测到边缘态色散关系与能隙演化，揭示了在硬壁极限下手性自由粒子行为，其群速度与 ∼ħk/m 匹配。

ABSTRACT

The frictionless, directional propagation of particles at the boundary of topological materials is one of the most striking phenomena in transport. These chiral edge modes lie at the heart of the integer and fractional quantum Hall effects, and their extraordinary robustness against noise and disorder reflects the quantization of Hall conductivity in these systems. Despite their central importance, controllable injection of edge modes, and direct imaging of their propagation, structure, and dynamics, is challenging. Here, we demonstrate the distillation of individual chiral edge states in a rapidly-rotating bosonic superfluid confined by an optical boundary. Tuning the wall sharpness, we reveal the smooth crossover between soft wall behaviour in which the propagation speed is proportional to wall steepness, and the hard wall regime exhibiting chiral free particles. From the skipping motion of atoms along the boundary, we spectroscopically infer the energy gap between the ground and first excited edge bands, and reveal its evolution from the bulk Landau level splitting for a soft boundary, to the hard wall limit.

研究动机与目标

• 为研究拓扑量子系统中的手性边缘态提供一个洁净、可调的平台。
• 通过实现边缘模式结构与动力学的直接显微成像，克服凝聚态系统中的局限性。
• 在受控环境中研究壁几何形状与相互作用对手性边缘输运的影响。
• 探测边缘态色散与能隙在软壁与硬壁行为之间的过渡。
• 测量边缘能带之间的能隙及其从体朗道能级分裂到硬壁极限的演化。

提出的方法

• 利用快速旋转的玻色-爱因斯坦凝聚体，通过科里奥利力产生人工磁场，其中回旋频率 ωc = 2Ω，磁长度 ℓB = √(ℏ/(mωc))。
• 通过调节激光束的聚焦程度并拟合径向强度分布，实现具有可调陡度的可调谐光墙。
• 通过施加马鞍势使原子沿边界加速以注入手性边缘模式，随后关闭该势以冻结动量并实现自由传播。
• 利用分辨率为670 nm的高分辨率原位成像技术，在传播后成像边缘模式密度，该分辨率足以分辨边缘态与涡旋。
• 通过测量群速度随动量 k 的变化，绘制色散关系，并与硬壁和软壁理论模型进行比较。
• 通过沿边界跳动运动的光谱学测量，提取基态与第一激发态边缘能带之间的能隙，使用包含来自马鞍势有效力 F 的修正哈密顿量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在旋转量子气体中，手性边缘模式的传播速度如何随约束壁的尖锐程度变化？
• RQ2 从软壁区域（具有朗道能级分裂）到硬壁极限，边缘态能隙如何演化？
• RQ3 在洁净、可调系统中，能否以高空间与动量分辨率实现对单个手性边缘态的注入与成像？
• RQ4 随着壁的陡度增加，边缘模式的色散关系如何从朗道能级类行为过渡到手性自由粒子行为？
• RQ5 马鞍势产生的有效力在传播过程中如何改变边缘态的动量与能量？

主要发现

• 手性边缘模式的群速度随动量 k 线性增加，在硬壁极限下趋近于手性自由粒子速度 ħk/m。
• 在软壁与硬壁行为之间观察到平滑过渡，传播速度在软壁区域与壁的陡度成正比。
• 通过光谱学测量，确定了基态与第一激发态边缘能带之间的能隙，并发现其从体朗道能级分裂演化至硬壁极限。
• 在硬壁区域，边缘模式的色散关系与手性自由粒子形式 ħ²k²/(2m) 非常吻合，在 k ≈ 0.8 ℓB⁻¹ 处偏差小于5%。
• 高分辨率原位成像（670 nm 分辨率）分辨了边缘模式的空间展宽，其宽度大于磁长度（1.6 μm），并实现了对 5–9 ms 传播过程的直接观测。
• 通过强度分布拟合校准了推断的壁势斜率 α，实现了与基于无量纲薛定谔方程及线性壁势的理论模型的定量比较。