Stabilisering af Hubbard-Thouless-pumper gennem ikke-lokal fermionisk frastødning

Stabilisering af Hubbard-Thouless-pumper gennem ikke-lokal fermionisk frastødning

Javier Argüello-Luengo1, Manfred J. Mark2,3, Francesca Ferlaino2,3, Maciej Lewenstein1,4, Luca Barbiero5og Sergi Julià-Farré1

1ICFO – Institut de Ciencies Fotoniques, Barcelona Institute of Science and Technology, Av. Carl Friedrich Gauss 3, 08860 Castelldefels (Barcelona), Spanien
2Institut für Quantenoptik und Quanteninformation, Österreichische Akademie der Wissenschaften, Technikerstraße 21a, 6020 Innsbruck, Østrig
3Institut für Experimentalphysik, Universität Innsbruck, Technikerstraße 25, 6020 Innsbruck, Østrig
4ICREA, s. Lluís Companys 23, 08010 Barcelona, ​​Spanien
5Institut for kondenseret stoffysik og komplekse systemer, DISAT, Politecnico di Torino, I-10129 Torino, Italien

Finder du denne artikel interessant eller vil du diskutere? Scite eller efterlade en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Thouless pumping repræsenterer et kraftfuldt koncept til at sondere kvantiserede topologiske invarianter i kvantesystemer. Vi udforsker denne mekanisme i en generaliseret Rice-Mele Fermi-Hubbard-model karakteriseret ved tilstedeværelsen af ​​konkurrerende onsite og intersite interaktioner. I modsætning til de seneste eksperimentelle og teoretiske resultater, der viser en nedbrydning af kvantiseret pumpning induceret af frastødningen på stedet, beviser vi, at tilstrækkeligt store intersite-interaktioner muliggør en interaktionsinduceret genvinding af Thouless-pumper. Vores analyse afslører yderligere, at forekomsten af ​​stabil topologisk transport ved store interaktioner er forbundet med tilstedeværelsen af ​​en spontan bindingsordensbølge i modellens grundtilstandsfasediagram. Til sidst diskuterer vi en konkret eksperimentel opsætning baseret på ultrakolde magnetiske atomer i et optisk gitter for at realisere den nyligt introducerede Thouless-pumpe. Vores resultater giver en ny mekanisme til at stabilisere Thouless-pumper i interagerende kvantesystemer.

Topologiske faser har tiltrukket sig stor interesse i de seneste år på grund af deres slående globale egenskaber, i sidste ende relateret til tilstedeværelsen af ​​en topologisk invariant, der er robust over for lokale ufuldkommenheder. Mens topologi eksisterer for systemer af ikke-interagerende partikler, forventes tilføjelsen af ​​mange-legeme-interaktioner at føre til endnu mere eksotiske fænomener. I denne sammenhæng giver vi numeriske beviser for interaktionsinducerede topologiske egenskaber af endimensionelle fermioniske systemer og foreslår en eksperimentel opsætning til kvantesimulering af modellen.

For endimensionelle gittersystemer manifesterer tilstedeværelsen af ​​en global topologisk invariant sig gennem den kvantiserede transport af partikler i cykliske dynamiske eksperimenter, et fænomen kendt som Thouless pumpe. I dette arbejde simulerer vi numerisk denne periodiske transportdynamik i en kæde af fermioner, der er udsat for både afstødning på stedet og den nærmeste nabo for at identificere, for hvilke værdier af interaktioner systemet er topologisk, dvs. det transporterer en heltal mængde partikler i hver cyklus. af dynamikken. Vi finder, at på trods af interaktioner på stedet og mellem steder resulterer i fravær af kvantiseret transport, når det betragtes alene, som rapporteret i tidligere teoretiske og eksperimentelle værker, fører den samtidige tilstedeværelse af disse to udtryk til eksotiske regimer, hvor stigende interaktioner fører til en genopretning af topologisk Thouless pumpe. Vi viser også, at magnetiske atomer fanget i et optisk gitter repræsenterer en primær platform til at kvantesimulere denne fysik.

Dette arbejde viser, at frastødende fermioniske interaktioner ikke er fundamentalt skadelige for Thouless-pumper, hvilket åbner muligheden for eksperimentelt at observere en interaktionsinduceret genopretning af en-dimensionel topologisk transport.

► BibTeX-data

► Referencer

[1] K. v. Klitzing, G. Dorda og M. Pepper, Phys. Rev. Lett. 45, 494 (1980).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.45.494

[2] DJ Thouless, M. Kohmoto, MP Nightingale og M. den Nijs, Phys. Rev. Lett. 49, 405 (1982a).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.49.405

[3] M.Z. Hasan og C.L. Kane, Rev. Mod. Phys. 82, 3045 (2010).
https://​/​doi.org/​10.1103/​RevModPhys.82.3045

[4] C.-K. Chiu, JCY Teo, AP Schnyder og S. Ryu, Rev. Mod. Phys. 88, 035005 (2016).
https://​/​doi.org/​10.1103/​RevModPhys.88.035005

[5] LD Landau, EM Lifshitz og M. Pitaevskii, Statistisk fysik (Butterworth-Heinemann, New York, 1999).

[6] KG Wilson og J. Kogut, Phys. Rep. 12, 75 (1974).
https:/​/​doi.org/​10.1016/​0370-1573(74)90023-4

[7] K. von Klitzing, Nat. Phys. 13, 198 (2017).
https://doi.org/​10.1038/​nphys4029

[8] C. Nayak, SH Simon, A. Stern, M. Freedman og S. Das Sarma, Rev. Mod. Phys. 80, 1083 (2008).
https://​/​doi.org/​10.1103/​RevModPhys.80.1083

[9] S. Rachel, Rep. Prog. Phys. 81, 116501 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1361-6633/​aad6a6

[10] DJ Thouless, Phys. Rev. B 27, 6083 (1983).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.27.6083

[11] Q. Niu og DJ Thouless, Journal of Physics A: Mathematical and General 17, 2453 (1984).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0305-4470/​17/​12/​016

[12] E. Berg, M. Levin og E. Altman, Phys. Rev. Lett. 106, 110405 (2011).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.106.110405

[13] S. Greschner, S. Mondal og T. Mishra, Phys. Rev. A 101, 053630 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.101.053630

[14] A. Hayward, C. Schweizer, M. Lohse, M. Aidelsburger og F. Heidrich-Meisner, Phys. Rev. B 98, 245148 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.98.245148

[15] S. Mondal, S. Greschner, L. Santos og T. Mishra, Phys. Rev. A 104, 013315 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.104.013315

[16] L. Lin, Y. Ke og C. Lee, Phys. Rev. A 101, 023620 (2020a).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.101.023620

[17] S. Mondal, A. Padhan og T. Mishra, Phys. Rev. B 106, L201106 (2022a).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.106.L201106

[18] Y. Kuno og Y. Hatsugai, Phys. Rev. Res. 2, 042024 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.2.042024

[19] A. Padhan, S. Mondal, S. Vishveshwara og T. Mishra, "Interacting bosons on a Su-Schrieffer-Heeger ladder: Topological phases and Thouless pumping," (2023), arXiv:2306.09325 [cond-mat.quant- gas].
arXiv: 2306.09325

[20] M. Nakagawa, T. Yoshida, R. Peters og N. Kawakami, Phys. Rev. B 98, 115147 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.98.115147

[21] E. Bertok, F. Heidrich-Meisner og AA Aligia, Phys. Rev. B 106, 045141 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.106.045141

[22] S. Mondal, E. Bertok og F. Heidrich-Meisner, Phys. Rev. B 106, 235118 (2022b).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.106.235118

[23] S. Mondal, E. Bertok og F. Heidrich-Meisner, Phys. Rev. B 107, 239903 (2023).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.107.239903

[24] R.P. Feynman, Int. J. Theor. Phys. 21, 467 (1982).
https://doi.org/​10.1007/​bf02650179

[25] JI Cirac og P. Zoller, Nat. Phys. 8, 264 (2012).
https://doi.org/​10.1038/​nphys2275

[26] IM Georgescu, S. Ashhab og F. Nori, Rev. Mod. Phys. 86, 153 (2014).
https://​/​doi.org/​10.1103/​RevModPhys.86.153

[27] AJ Daley, I. Bloch, C. Kokail, S. Flannigan, N. Pearson, M. Troyer og P. Zoller, Nature 607, 667 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-022-04940-6

[28] E. Altman, KR Brown, G. Carleo, LD Carr, E. Demler, C. Chin, B. DeMarco, SE Economou, MA Eriksson, K.-MC Fu, M. Greiner, KR Hazzard, RG Hulet, AJ Kollár BL Lev, MD Lukin, R. Ma, X. Mi, S. Misra, C. Monroe, K. Murch, Z. Nazario, K.-K. Ni, AC Potter, P. Roushan, M. Saffman, M. Schleier-Smith, I. Siddiqi, R. Simmonds, M. Singh, I. Spielman, K. Temme, DS Weiss, J. Vučković, V. Vuletić, J. Ye og M. Zwierlein, PRX Quantum 2, 017003 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.2.017003

[29] NR Cooper, J. Dalibard og IB Spielman, Rev. Mod. Phys. 91, 015005 (2019).
https://​/​doi.org/​10.1103/​RevModPhys.91.015005

[30] R. Citro og M. Aidelsburger, Nat. Rev. Phys. 5, 87 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-022-00545-0

[31] T. Ozawa, H. M. Price, A. Amo, N. Goldman, M. Hafezi, L. Lu, M. C. Rechtsman, D. Schuster, J. Simon, O. Zilberberg og I. Carusotto, Rev. Mod. Phys. 91, 015006 (2019).
https://​/​doi.org/​10.1103/​RevModPhys.91.015006

[32] YE Kraus, Y. Lahini, Z. Ringel, M. Verbin og O. Zilberberg, Phys. Rev. Lett. 109, 106402 (2012).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.109.106402

[33] A. Cerjan, M. Wang, S. Huang, KP Chen og MC Rechtsman, Light: Science & Applications 9, 178 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41377-020-00408-2

[34] M. Jürgensen, S. Mukherjee og MC Rechtsman, Nature 596, 63 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-021-03688-9

[35] M. Jürgensen, S. Mukherjee, C. Jörg og MC Rechtsman, Nat. Phys. 19, 420 (2023).
https://​/​doi.org/​10.1038/​s41567-022-01871-x

[36] M. Lohse, C. Schweizer, O. Zilberberg, M. Aidelsburger og I. Bloch, Nat. Phys. 12, 350 (2016).
https://doi.org/​10.1038/​nphys3584

[37] S. Nakajima, T. Tomita, S. Taie, T. Ichinose, H. Ozawa, L. Wang, M. Troyer og Y. Takahashi, Nat. Phys. 12, 296 (2016).
https://doi.org/​10.1038/​nphys3622

[38] J. Minguzzi, Z. Zhu, K. Sandholzer, A.-S. Walter, K. Viebahn og T. Esslinger, Phys. Rev. Lett. 129, 053201 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.129.053201

[39] SOM. Walter, Z. Zhu, M. Gächter, J. Minguzzi, S. Roschinski, K. Sandholzer, K. Viebahn og T. Esslinger, Nat. Phys. 19, 1471 (2023).
https://​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02145-w

[40] K. Viebahn, A.-S. Walter, E. Bertok, Z. Zhu, M. Gächter, AA Aligia, F. Heidrich-Meisner og T. Esslinger, "Interaction-induced charge pumping in a topological many-body system," (2023), arXiv:2308.03756 [cond-mat.quant-gas].
arXiv: 2308.03756

[41] M. Lewenstein, A. Sanpera og V. Ahufinger, Ultracold Atoms in Optical Lattices: Simulating Quantum many-body systems, Vol. 54 (Oxford University Press, Oxford, 2012).
http://​/​www.oxfordscholarship.com/​view/​10.1093/​acprof:oso/​9780199573127.001.0001/​acprof-9780199573127

[42] I. Bloch, J. Dalibard og W. Zwerger, Rev. Mod. Phys. 80, 885 (2008).
https://​/​doi.org/​10.1103/​RevModPhys.80.885

[43] P. Sompet, S. Hirthe, D. Bourgund, T. Chalopin, J. Bibo, J. Koepsell, P. Bojović, R. Verresen, F. Pollmann, G. Salomon, C. Gross, TA Hilker og I. Bloch, Nature 606, 484 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1038/​s41586-022-04688-z

[44] J. Léonard, S. Kim, J. Kwan, P. Segura, F. Grusdt, C. Repellin, N. Goldman og M. Greiner, Nature 619, 495 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-023-06122-4

[45] S. Ejima og S. Nishimoto, Phys. Rev. Lett. 99, 216403 (2007).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.99.216403

[46] T. Lahaye, C. Menotti, L. Santos, M. Lewenstein og T. Pfau, Rep. Prog. Phys. 72, 126401 (2009).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0034-4885/​72/​12/​126401

[47] L. Chomaz, I. Ferrier-Barbut, F. Ferlaino, B. Laburthe-Tolra, BL Lev og T. Pfau, Reports on Progress in Physics 86, 026401 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1088/​1361-6633/​aca814

[48] U. Schollwöck, Ann. Phys. 326, 96 (2011).
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.aop.2010.09.012

[49] J. Hauschild og F. Pollmann, SciPost Phys. Lect. Noter, 5 (2018).
https://​/​doi.org/​10.21468/​SciPostPhysLectNotes.5

[50] M. Nakamura, J. Phys. Soc. Japan 68, 3123 (1999).
https://​/​doi.org/​10.1143/​JPSJ.68.3123

[51] M. Nakamura, Phys. Rev. B 61, 16377 (2000).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.61.16377

[52] E. Jeckelmann, Phys. Rev. Lett. 89, 236401 (2002).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.89.236401

[53] P. Sengupta, AW Sandvik og DK Campbell, Phys. Rev. B 65, 155113 (2002).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.65.155113

[54] AW Sandvik, L. Balents og DK Campbell, Phys. Rev. Lett. 92, 236401 (2004).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.92.236401

[55] YZ Zhang, Phys. Rev. Lett. 92, 246404 (2004).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.92.246404

[56] K.-M. Tam, S.-W. Tsai og DK Campbell, Phys. Rev. Lett. 96, 036408 (2006).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.96.036408

[57] S. Glocke, A. Klümper og J. Sirker, Phys. Rev. B 76, 155121 (2007).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.76.155121

[58] M. Di Dio, L. Barbiero, A. Recati og M. Dalmonte, Phys. Rev. A 90, 063608 (2014).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.90.063608

[59] S. Julià-Farré, D. González-Cuadra, A. Patscheider, MJ Mark, F. Ferlaino, M. Lewenstein, L. Barbiero og A. Dauphin, Phys. Rev. Res. 4, L032005 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.4.L032005

[60] MJ Rice og EJ Mele, Phys. Rev. Lett. 49, 1455 (1982).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.49.1455

[61] WP Su, JR Schrieffer og AJ Heeger, Phys. Rev. Lett. 42, 1698 (1979).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.42.1698

[62] S. Ryu, AP Schnyder, A. Furusaki og AWW Ludwig, New J. Phys. 12, 065010 (2010).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​12/​6/​065010

[63] SR Manmana, AM Essin, RM Noack og V. Gurarie, Phys. Rev. B 86, 205119 (2012).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.86.205119

[64] V. Gurarie, Phys. Rev. B 83, 085426 (2011).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.83.085426

[65] T. Yoshida, R. Peters, S. Fujimoto og N. Kawakami, Phys. Rev. Lett. 112, 196404 (2014).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.112.196404

[66] D. Wang, S. Xu, Y. Wang og C. Wu, Phys. Rev. B 91, 115118 (2015).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.91.115118

[67] B.-T. Ja, L.-Z. Mu og H. Fan, Phys. Rev. B 94, 165167 (2016).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.94.165167

[68] B. Sbierski og C. Karrasch, Phys. Rev. B 98, 165101 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.98.165101

[69] L. Barbiero, L. Santos og N. Goldman, Phys. Rev. B 97, 201115 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.97.201115

[70] NH Le, AJ Fisher, NJ Curson og E. Ginossar, npj Quantum Inf. 6, 24 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-020-0253-9

[71] Y.-T. Lin, DM Kennes, M. Pletyukhov, CS Weber, H. Schoeller og V. Meden, Phys. Rev. B 102, 085122 (2020b).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.102.085122

[72] A. Montorsi, U. Bhattacharya, D. González-Cuadra, M. Lewenstein, G. Palumbo og L. Barbiero, Phys. Rev. B 106, L241115 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.106.L241115

[73] DJ Thouless, M. Kohmoto, MP Nightingale og M. den Nijs, Phys. Rev. Lett. 49, 405 (1982b).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.49.405

[74] SR White, Phys. Rev. Lett. 69, 2863 (1992).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.69.2863

[75] R. Orús og G. Vidal, Phys. Rev. B 78, 155117 (2008).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.78.155117

[76] JA Marks, M. Schüler, JC Budich og TP Devereaux, Phys. Rev. B 103, 035112 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.103.035112

[77] K. Loida, J.-S. Bernier, R. Citro, E. Orignac og C. Kollath, Phys. Rev. Lett. 119, 230403 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.119.230403

[78] L. Barbiero, A. Montorsi og M. Roncaglia, Phys. Rev. B 88, 035109 (2013).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.88.035109

[79] WS Bakr, JI Gillen, A. Peng, S. Fölling og M. Greiner, Nature 462, 74 (2009).
https://​/​doi.org/​10.1038/​nature08482

[80] M. Endres, M. Cheneau, T. Fukuhara, C. Weitenberg, P. Schauß, C. Gross, L. Mazza, MC Bañuls, L. Pollet, I. Bloch og S. Kuhr, Science 334, 200 (2011) ).
https://​doi.org/​10.1126/​science.1209284

[81] TA Hilker, G. Salomon, F. Grusdt, A. Omran, M. Boll, E. Demler, I. Bloch og C. Gross, Science 357, 484 (2017).
https://​doi.org/​10.1126/​science.aam8990

[82] A. Patscheider, B. Zhu, L. Chomaz, D. Petter, S. Baier, A.-M. Rey, F. Ferlaino og MJ Mark, Phys. Rev. Research 2, 023050 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.2.023050

[83] L. Su, A. Douglas, M. Szurek, R. Groth, SF Ozturk, A. Krahn, AH Hébert, GA Phelps, S. Ebadi, S. Dickerson, F. Ferlaino, O. Marković og M. Greiner, Nature 622, 724 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-023-06614-3

[84] S. Baier, D. Petter, JH Becher, A. Patscheider, G. Natale, L. Chomaz, MJ Mark og F. Ferlaino, Phys. Rev. Lett. 121, 093602 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.121.093602

[85] J. Fraxanet, D. González-Cuadra, T. Pfau, M. Lewenstein, T. Langen og L. Barbiero, Phys. Rev. Lett. 128, 043402 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.128.043402

[86] M. Sohmen, MJ Mark, M. Greiner og F. Ferlaino, SciPost Phys. 15, 182 (2023).
https://​/​doi.org/​10.21468/​SciPostPhys.15.5.182

[87] AD Lange, K. Pilch, A. Prantner, F. Ferlaino, B. Engeser, H.-C. Nägerl, R. Grimm og C. Chin, Phys. Rev. A 79, 013622 (2009).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.79.013622

Citeret af

[1] Sergi Julià-Farré, Javier Argüello-Luengo, Loïc Henriet og Alexandre Dauphin, "Quantized Thouless pumps protected by interactions in dimerized Rydberg pincet arrays", arXiv: 2402.09311, (2024).

[2] Ashirbad Padhan og Tapan Mishra, "Diorder-drevet Thouless ladningspumpe i en kvasiperiodisk kæde", arXiv: 2312.16568, (2023).

Ovenstående citater er fra SAO/NASA ADS (sidst opdateret 2024-03-16 01:49:46). Listen kan være ufuldstændig, da ikke alle udgivere leverer passende og fuldstændige citatdata.

On Crossrefs citeret af tjeneste ingen data om at citere værker blev fundet (sidste forsøg 2024-03-16 01:49:45).

Tidsstempel:

Mere fra Quantum Journal