Stabilisierung von Hubbard-Thouless-Pumpen durch nichtlokale fermionische Abstoßung

Stabilisierung von Hubbard-Thouless-Pumpen durch nichtlokale fermionische Abstoßung

Zeitstempel: 14. März 2024, 9:43 Uhr

Javier Argüello-Luengo1, Manfred J. Mark2,3, Francesca Ferraino2,3, Maciej Lewenstein1,4, Luca Barbiero5 und Sergi Julià-Farré1

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2Institut für Quantenoptik und Quanteninformation, Österreichische Akademie der Wissenschaften, Technikerstraße 21a, 6020 Innsbruck, Österreich
3Institut für Experimentalphysik, Universität Innsbruck, Technikerstraße 25, 6020 Innsbruck, Österreich
4ICREA, Pg. Lluís Companys 23, 08010 Barcelona, ​​Spanien
5Institut für Physik der kondensierten Materie und komplexe Systeme, DISAT, Politecnico di Torino, I-10129 Turin, Italien

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Abstrakt

Thouless Pumping stellt ein leistungsstarkes Konzept zur Untersuchung quantisierter topologischer Invarianten in Quantensystemen dar. Wir untersuchen diesen Mechanismus in einem verallgemeinerten Rice-Mele-Fermi-Hubbard-Modell, das durch das Vorhandensein konkurrierender Wechselwirkungen vor Ort und zwischen Standorten gekennzeichnet ist. Im Gegensatz zu jüngsten experimentellen und theoretischen Ergebnissen, die einen Zusammenbruch des durch die Abstoßung vor Ort induzierten quantisierten Pumpens zeigen, beweisen wir, dass ausreichend große Wechselwirkungen zwischen den Standorten eine wechselwirkungsinduzierte Wiederherstellung der Thouless-Pumpen ermöglichen. Unsere Analyse zeigt außerdem, dass das Auftreten eines stabilen topologischen Transports bei großen Wechselwirkungen mit dem Vorhandensein einer spontanen Bindungsordnungswelle im Grundzustandsphasendiagramm des Modells zusammenhängt. Abschließend diskutieren wir einen konkreten Versuchsaufbau, der auf ultrakalten magnetischen Atomen in einem optischen Gitter basiert, um die neu eingeführte Thouless-Pumpe zu realisieren. Unsere Ergebnisse liefern einen neuen Mechanismus zur Stabilisierung von Thouless-Pumpen in interagierenden Quantensystemen.

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Ausgewähltes Bild: Skizze der adiabatischen Transporteigenschaften in der Wechselwirkungsebene der in dieser Arbeit betrachteten fermionischen Kette. Aufgrund konkurrierender Effekte kann bei großen Onsite-$U$- und Intersite-$V$-Wechselwirkungen ein stabiler quantisierter topologischer Transport beobachtet werden.

Populäre Zusammenfassung

Topologische Phasen haben in den letzten Jahren aufgrund ihrer bemerkenswerten globalen Eigenschaften großes Interesse auf sich gezogen, was letztendlich auf das Vorhandensein einer topologischen Invariante zurückzuführen ist, die gegenüber lokalen Imperfektionen robust ist. Während für Systeme nichtwechselwirkender Teilchen eine Topologie existiert, wird erwartet, dass die Hinzufügung von Vielteilchenwechselwirkungen zu noch exotischeren Phänomenen führen wird. In diesem Zusammenhang liefern wir numerische Beweise für wechselwirkungsinduzierte topologische Eigenschaften eindimensionaler fermionischer Systeme und schlagen einen experimentellen Aufbau zur Quantensimulation des Modells vor.

Bei eindimensionalen Gittersystemen manifestiert sich das Vorhandensein einer globalen topologischen Invariante durch den quantisierten Transport von Teilchen in zyklischen Dynamikexperimenten, ein Phänomen, das als Thouless-Pumpe bekannt ist. In dieser Arbeit simulieren wir numerisch diese periodische Transportdynamik in einer Kette von Fermionen, die sowohl der Abstoßung vor Ort als auch der Abstoßung beim nächsten Nachbarn unterliegen, um herauszufinden, für welche Wechselwirkungswerte das System topologisch ist, d. h. es transportiert in jedem Zyklus eine ganzzahlige Menge an Teilchen der Dynamik. Wir stellen fest, dass, obwohl Wechselwirkungen vor Ort und zwischen Standorten bei alleiniger Betrachtung zum Fehlen eines quantisierten Transports führen, wie in früheren theoretischen und experimentellen Arbeiten berichtet, das gleichzeitige Vorhandensein dieser beiden Begriffe zu exotischen Regimen führt, in denen zunehmende Wechselwirkungen zu einer Erholung des führen topologische Thouless-Pumpe. Wir zeigen auch, dass magnetische Atome, die in einem optischen Gitter gefangen sind, eine erstklassige Plattform für die Quantensimulation dieser Physik darstellen.

Diese Arbeit zeigt, dass abstoßende fermionische Wechselwirkungen nicht grundsätzlich schädlich für Thouless-Pumpen sind, was die Möglichkeit eröffnet, eine wechselwirkungsinduzierte Wiederherstellung des eindimensionalen topologischen Transports experimentell zu beobachten.

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[1] Sergi Julià-Farré, Javier Argüello-Luengo, Loïc Henriet und Alexandre Dauphin, „Quantisierte Thouless-Pumpen geschützt durch Wechselwirkungen in dimerisierten Rydberg-Pinzetten-Arrays“, arXiv: 2402.09311, (2024).

[2] Ashirbad Padhan und Tapan Mishra, „Unordnung angetriebene Thouless-Ladungspumpe in einer quasiperiodischen Kette“, arXiv: 2312.16568, (2023).

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