[论文解读] Quantisation and its breakdown in a Hubbard-Thouless pump

Anne-Sophie Walter, Zijie Zhu+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2022

Topological Materials and Phenomena被引用 6

一句话总结

本研究在超冷原子气体中实验实现了具有完全可调的局域相互作用的Hubbard-Thouless泵，展示了弱吸引和强吸引相互作用下鲁棒的量子化电荷泵浦，而在强排斥作用下观察到相互作用诱导的破坏。通过改变泵浦轨迹，该破坏被逆转，揭示了吸引 regime 下的成对输运，并建立了一个研究相互作用拓扑物质的平台。

ABSTRACT

Geometric properties of waves and wave functions can explain the appearance of integer-valued observables throughout physics. For example, these 'topological' invariants describe the plateaux observed in the quantised Hall effect and the pumped charge in its dynamic analogon, the Thouless pump. However, the presence of interparticle interactions can profoundly affect the topology of a material, invalidating the idealised formulation in terms of Bloch waves. Despite pioneering experiments in solid state systems, photonic waveguides, and optical lattices, the study of topological insulators under variation of inter-particle interactions has proven challenging. Here, we experimentally realise a topological Thouless pump with tuneable Hubbard interactions in an optical lattice and observe regimes with robust pumping, as well as an interaction-induced breakdown. We confirm the pump's robustness against interactions that are smaller than the protecting gap, which holds true for both repulsive and attractive Hubbard $U$. Furthermore, we identify that bound pairs of fermions are responsible for quantised transport at strongly attractive $U$, supported by measurements of pair fraction and adiabaticity. For strong repulsive interactions, on the contrary, topological pumping breaks down. Yet, we can reinstate quantised pumping by modifying the pump trajectory while starting from the same initial state. Our experiments pave the way for investigating interacting topological insulators, including edge effects and interaction-induced topological phases.

研究动机与目标

• 研究在多体量子系统中可调局域相互作用存在时，拓扑泵浦的鲁棒性。
• 探索强排斥相互作用下量子化泵浦的破坏机制，并识别其恢复方法。
• 确定费米子对在强吸引相互作用下实现量子化输运的作用。
• 建立一个受控平台，用于研究超冷量子气体中的相互作用拓扑相和边缘效应。

提出的方法

• 通过相位控制的驻波与行波分量组合，实现动态可调超晶格，以模拟周期性驱动的Rice-Mele哈密顿量。
• 利用光学晶格中的超冷费米原子，通过磁场调控实现可调相互作用强度的Hubbard-Thouless泵。
• 通过测量多个周期内的质心漂移和泵浦效率，评估量子化和绝热性。
• 在半个泵浦周期内量化双占据分数，以探测强吸引 regime 下的成对形成。
• 采用改进的晶格装载方案，引入中间深棋盘势阱，以增强初始态制备并减少加热。
• 使用密度矩阵重正则化组（DMRG）模拟系统行为，并与实验数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 可调Hubbard相互作用强度如何影响Thouless泵中电荷泵浦的量子化？
• RQ2 强排斥相互作用下拓扑泵浦的破坏原因是什么？是否可以恢复？
• RQ3 费米子对在强吸引相互作用下实现量子化输运中起什么作用？
• RQ4 有限尺寸效应和绝热性如何影响观测到的泵浦效率？
• RQ5 实验中的不完善因素（如双占据检测不准确）在多大程度上影响测量到的泵浦行为？

主要发现

• 对于弱相互作用和强吸引费米子，量子化泵浦具有鲁棒性，泵浦效率在|U| = 9.2t以内保持近似量子化。
• 强排斥相互作用（U > 0）导致拓扑泵浦完全破坏，质心漂移显著降低。
• 通过修改泵浦轨迹，强排斥下的破坏被逆转，从同一初始态恢复了量子化输运。
• 在强吸引 regime 下，双占据分数达到约0.7，且在周期内变化极小，表明存在相干的成对输运。
• 在吸引 regime 下保持了绝热性，即使在T = 36.5ħ/t时，测量到的泵浦效率仍保持较高。
• 改进的装载方案使能隙扩大了一倍，减少了高能带占据，增强了吸引 regime 下的信号。