[论文解读] The Realization and Dectection of Weyl Semimetals in Cold Atomic Systems

Wen‐Yu He, Shizhong Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2015

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种通过拉曼激光耦合蜂窝光晶格多层结构，在超冷原子体系中实现三维外尔半金属相的方案，该方案在每一层中诱导陈绝缘体行为。有限的层间耦合通过拉曼辅助隧穿在特定动量处关闭体能隙，从而实现外尔点的出现；实验可调的耦合强度可实现一对或两对外尔点，同时提出采用朗道-济奈隧穿作为探测方法，外尔点处的跃迁概率显著增强。

ABSTRACT

In this work, we describe a method to realize 3D Weyl semimetal by coupling multilayers of honeycomb optical lattice in the presence of a pair of Raman lasers. The Raman lasers render each isolated honeycomb layer a Chern insulator. With finite interlayer coupling, the bulk gap of the system closes at certain out-of-plane momenta due to Raman assisted tunnelling and result in the Weyl semimetal phase. Using experimentally relevant parameters, we show that both one and two pairs of Weyl points can be realized by tuning the interlayer coupling strength. We suggest that Landau-Zener tunnelling can be used to detect Weyl points and show that the transition probability increases dramatically when Weyl point emerges.

研究动机与目标

• 提出一种在光晶格中超冷原子中实现三维外尔半金属的现实量子模拟平台。
• 展示层间耦合与拉曼激光如何在特定动量处关闭体能隙，从而导致外尔半金属相的形成。
• 表明通过调节层间耦合强度，可调控外尔点的数量与位置。
• 提出朗道-济奈隧穿作为外尔点存在的可探测特征。

提出的方法

• 将二维蜂窝光晶格的多层结构耦合，形成三维体系。
• 在每一层施加一对拉曼激光，诱导具有非平庸量子霍尔效应的陈绝缘态。
• 通过拉曼辅助跃迁引入有限的层间隧穿，破坏反演对称性，并在特定的垂直动量处实现能隙关闭。
• 使用实验上可行的参数调节层间耦合强度，控制外尔点的数量。
• 采用包含拉曼诱导复数跃迁项的紧束缚哈密顿量建模该体系。
• 提出朗道-济奈隧穿作为探测手段：当存在外尔点时，跃迁概率显著增加。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过耦合光晶格在超冷原子体系中实现三维外尔半金属相？
• RQ2 层间耦合强度如何影响外尔点的数量与位置？
• RQ3 拉曼辅助隧穿在关闭体能隙并实现外尔半金属行为中起到何种作用？
• RQ4 朗道-济奈隧穿能否作为该体系中外尔点的可探测特征？
• RQ5 是否能通过现实参数在实验中实现一对或两对外尔点的可调切换？

主要发现

• 当层间耦合为有限值时，由于在特定垂直动量处体能隙关闭，外尔半金属相得以出现。
• 通过调节层间耦合强度，可在实验可行参数下实现一对或两对外尔点。
• 拉曼辅助隧穿对于能隙关闭及三维能带结构中外尔节点的形成至关重要。
• 当存在外尔点时，朗道-济奈隧穿的跃迁概率显著增加，表明其为可探测特征。
• 在现实实验条件下，该体系可实现具有鲁棒外尔点的拓扑非平庸相。