[论文解读] Realizing Su-Schrieffer-Heeger topological edge states in Rydberg-atom synthetic dimensions

S. K. Kanungo, J. D. Whalen+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 1被引用 4

一句话总结

该论文通过毫米波场耦合里德伯能级，在超冷 84Sr 原子中实现了合成维度，实现了具有可调隧穿和位点势的苏-施里弗-海格尔（SSH）模型。在能隙中，零能处出现拓扑边缘态，通过光学激发得以证实，并对保持手征对称性的微扰表现出鲁棒性，验证了该平台在模拟拓扑量子物质方面的可行性。

ABSTRACT

We demonstrate a platform for synthetic dimensions based on coupled Rydberg levels in ultracold atoms, and we implement the single-particle Su-Schrieffer-Heeger (SSH) Hamiltonian. Rydberg levels are interpreted as synthetic lattice sites, with tunneling introduced through resonant millimeter-wave couplings. Tunneling amplitudes are controlled through the millimeter-wave amplitudes, and on-site potentials are controlled through detunings of the millimeter waves from resonance. Using alternating weak and strong tunneling with weak tunneling to edge lattice sites, we attain a configuration with symmetry-protected topological edge states. The band structure is probed through optical excitation to the Rydberg levels from the ground state, which reveals topological edge states at zero energy. We verify that edge-state energies are robust to perturbation of tunneling-rates, which preserves chiral symmetry, but can be shifted by the introduction of on-site potentials.

研究动机与目标

• 利用超冷 84Sr 原子中的里德伯能级创建合成维度，用于拓扑物相的量子模拟。
• 通过共振毫米波耦合实现具有可调隧穿和位点势的苏-施里弗-海格尔（SSH）哈密顿量。
• 在合成一维晶格中观测到对称性保护的拓扑边缘态，并验证其对微扰的鲁棒性。

提出的方法

• 使用 84Sr 的里德伯能级（ns 和 np 态）作为合成晶格位点，通过近共振的毫米波场诱导隧穿。
• 通过偏离共振的失谐调节，控制隧穿振幅，同时通过失谐调节位点势。
• 通过交替的弱隧穿和强隧穿实现 SSH 模型，其中边缘位点以较弱的隧穿耦合，以诱导拓扑边缘态。
• 通过光学激发至里德伯能级探测能带结构和本征态布居，利用空间分辨荧光成像（SFI）实现位点分辨探测。
• 施加对隧穿速率和位点势的微扰，以检验手征对称性及边缘态的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用超冷原子中的里德伯能级实现具有可调隧穿和位点势的合成维度？
• RQ2 在合成一维晶格中，具有交替隧穿的 SSH 模型是否支持拓扑保护的边缘态？
• RQ3 在保持手征对称性的微扰下，这些边缘态的能量是否保持鲁棒？
• RQ4 位点势的移动如何影响边缘态能量？这一效应能否用于探测局域化？
• RQ5 该平台能否分辨单个晶格位点的布居并确认边缘态的局域化？

主要发现

• 在六格点 SSH 模型的能隙中观测到零能处的拓扑边缘态，通过光学激发谱得到证实。
• 当隧穿速率以保持手征对称性的方式失衡时，边缘态能量仍保持在零，显示出其鲁棒性。
• 当将毫米波耦合对 i=1（57s）位点的耦合进行失谐，从而破坏手征对称性时，边缘态能量的偏移量等于失谐量。
• 当 i=1 耦合被失谐时，局域在 i=6（59p）位点的正交边缘态保持不变，证实了位点特异的局域化。
• 具有两格点分辨率的空间分辨荧光成像（SFI）证实了本征态的分解，并验证了晶格本征态布居。