[论文解读] Observation of Non-Hermitian Skin Effect and Topology in Ultracold Atoms

Qian Liang, Dizhou Xie+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2022

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics被引用 8

一句话总结

本研究通过超冷 87Rb 原子在五站点玻色-爱因斯坦凝聚体的合成动量晶格中，实验演示了非厄米皮肤效应（NHSE）和拓扑边缘态。通过设计具有工程化拉曼和布喇格耦合的耗散性阿哈罗诺夫-玻姆链，作者观测到方向性体流，并通过布喇格光谱学分辨了能隙内的拓扑边缘态，证实了在 $ J_t/J_p \sim 1 $ 处发生非布洛赫拓扑相变，这是首次在量子简并原子气中观测到 NHSE。

ABSTRACT

The non-Hermitian skin effect (NHSE), the accumulation of eigen wavefunctions at boundaries of open systems, underlies a variety of exotic properties that defy conventional wisdom. While NHSE and its intriguing impact on band topology and dynamics have been observed in classical or photonic systems, their demonstration in a quantum many-body setting remains elusive. Here we report the experimental realization of a dissipative Aharonov-Bohm chain -- a non-Hermitian topological model with NHSE -- in the momentum space of a two-component Bose-Einstein condensate. We identify unique signatures of NHSE in the condensate dynamics, and perform Bragg spectroscopy to resolve topological edge states against a background of localized bulk states. Our work sets the stage for further investigation on the interplay of many-body statistics and interactions with NHSE, and is a significant step forward in the quantum control and simulation of non-Hermitian physics.

研究动机与目标

• 在量子简并原子系统中实验实现具有非厄米皮肤效应（NHSE）的非厄米拓扑哈密顿量。
• 通过有限尺寸耗散性阿哈罗诺夫-玻姆链中的凝聚体动力学，识别 NHSE 的动态特征。
• 在合成动量晶格中，利用布喇格光谱学在局域体模的背景下分辨拓扑边缘态。
• 探测有限尺寸系统中的非布洛赫拓扑相变，并验证其与非布洛赫能带理论的一致性。
• 建立一个用于研究非厄米量子系统中多体效应、相互作用和无序的平台，利用超冷原子。

提出的方法

• 利用 87Rb 玻色-爱因斯坦凝聚体上的拉曼和布喇格过程，在五站点耗散性阿哈罗诺夫-玻姆链中构建了合成动量晶格。
• 使用多频激光耦合，实现具有合成磁通的位点特异性跃迁，并通过耦合到 $^5P_{3/2}$ 能级亚层引入耗散。
• 将凝聚体初始化在中心动量态，并探测其动力学，观测到向边界方向的定向体流，这是 NHSE 的特征。
• 通过将探测态耦合到链的边缘，执行布喇格光谱学以获取本征谱并检测能隙内边缘态。
• 使用双高斯函数拟合实验光谱，提取谷位和宽度，识别出从双谷结构到单谷结构的转变。
• 定义距离与宽度之比 $ r = \Delta\delta / 2w $ 以量化拓扑相变，观测到在 $ J_t/J_p \sim 1 $ 处该比值从 ~1.5 降至 0。

实验结果

研究问题

• RQ1 非厄米皮肤效应是否可以在量子简并原子气系统中实验观测到？
• RQ2 在有限尺寸非厄米晶格中，NHSE 的动态特征如何在凝聚体演化中表现？
• RQ3 在合成动量晶格中，利用布喇格光谱学是否能分辨局域体模背景下的拓扑边缘态？
• RQ4 所观测到的相变是否与非布洛赫能带理论一致，而非传统布洛赫理论？
• RQ5 有限尺寸效应在非厄米拓扑的光谱探测中起什么作用？

主要发现

• 在凝聚体动力学中观测到定向体流，证实了非厄米皮肤效应是本征态局域化于边界的原因。
• 布喇格光谱学揭示了光谱响应中从双谷结构到单谷结构的转变，表明了能隙内拓扑边缘态的出现。
• 距离与宽度之比 $ r = \Delta\delta / 2w $ 在 $ J_t/J_p \sim 1 $ 附近从 ~1.5 降至 0，表明与非布洛赫理论一致的拓扑相变。
• 在 $ J_t/J_p \sim 1 $ 处观测到的相变点与理论预测值 $ J_t/J_p \sim 1.04 $ 良好一致，支持非布洛赫体-边界对应关系。
• 由于退相干和非均匀展宽，实验分辨率受限于 ~300 Hz，但仍足以检测到拓扑相变。
• 有限尺寸系统使得即使在有限系统中未完全打开能隙，也能观测到拓扑相变的清晰光谱特征。