Hubbard-Thoulessi pumpade stabiliseerimine mittelokaalse fermioonse tõrjumise kaudu

Hubbard-Thoulessi pumpade stabiliseerimine mittelokaalse fermioonse tõrjumise kaudu

Javier Argüello-Luengo1, Manfred J. Mark2,3, Francesca Ferlaino2,3, Maciej Lewenstein1,4, Luca Barbiero5ja Sergi Julià-Farré1

1ICFO – Institut de Ciencies Fotoniques, Barcelona teaduse ja tehnoloogia instituut, Av. Carl Friedrich Gauss 3, 08860 Castelldefels (Barcelona), Hispaania
2Institut für Quantenoptik und Quanteninformation, Österreichische Akademie der Wissenschaften, Technikerstraße 21a, 6020 Innsbruck, Austria
3Institut für Experimentalphysik, Universität Innsbruck, Technikerstraße 25, 6020 Innsbruck, Austria
4ICREA, lk. Lluís Companys 23, 08010 Barcelona, ​​Hispaania
5Kondenseeritud aine füüsika ja komplekssüsteemide instituut, DISAT, Politecnico di Torino, I-10129 Torino, Itaalia

Kas see artikkel on huvitav või soovite arutada? Scite või jätke SciRate'i kommentaar.

Abstraktne

Tuhat pumpamine kujutab endast võimsat kontseptsiooni kvantsüsteemides kvantiseeritud topoloogiliste invariantide uurimiseks. Uurime seda mehhanismi üldistatud Rice-Mele Fermi-Hubbardi mudelis, mida iseloomustab konkureerivate kohapealsete ja saitidevaheliste interaktsioonide olemasolu. Vastupidiselt hiljutistele eksperimentaalsetele ja teoreetilistele tulemustele, mis näitavad kohapealse tõrjumise põhjustatud kvantiseeritud pumpamise lagunemist, tõestame, et piisavalt suured interaktsioonid võimaldavad interaktsioonist põhjustatud Thouless pumpade taastumist. Meie analüüs näitab veel, et stabiilse topoloogilise transpordi esinemine suurte interaktsioonide korral on seotud spontaanse sideme järjekorra laine olemasoluga mudeli põhioleku faasidiagrammis. Lõpuks arutame äsja kasutusele võetud Thoulessi pumba realiseerimiseks konkreetset eksperimentaalset seadistust, mis põhineb optilises võres ülikülmadel magnetaatomitel. Meie tulemused pakuvad uut mehhanismi Thoulessi pumpade stabiliseerimiseks interakteeruvates kvantsüsteemides.

Topoloogilised faasid on viimastel aastatel äratanud suurt huvi nende silmatorkavate globaalsete omaduste tõttu, mis on lõppkokkuvõttes seotud topoloogilise invariandi olemasoluga, mis on vastupidav kohalikele puudustele. Kuigi topoloogia eksisteerib mitteinterakteeruvate osakeste süsteemide jaoks, põhjustab paljude kehade vastasmõjude lisamine eeldatavasti veelgi eksootilisemaid nähtusi. Selles kontekstis pakume arvulisi tõendeid ühemõõtmeliste fermioonsüsteemide interaktsioonist põhjustatud topoloogiliste omaduste kohta ja pakume välja eksperimentaalse seadistuse mudeli kvantsimuleerimiseks.

Ühemõõtmeliste võresüsteemide puhul ilmneb globaalse topoloogilise invariandi olemasolu osakeste kvantiseeritud transpordi kaudu tsüklilise dünaamika katsetes, nähtust nimetatakse Thouless pumbaks. Selles töös simuleerime arvuliselt neid perioodilisi transpordidünaamikat fermioonide ahelas, mis alluvad nii kohapealsele kui ka lähima naabri tõrjumisele, et teha kindlaks, milliste interaktsioonide väärtuste jaoks on süsteem topoloogiline, st see transpordib igas tsüklis täisarvu osakesi. dünaamikast. Leiame, et hoolimata eelnevates teoreetilistes ja eksperimentaalsetes töödes teatatud, et kohapealsete ja interaktsioonide vaheliste interaktsioonide tulemuseks on kvantiseeritud transpordi puudumine, kui seda eraldi vaadelda, põhjustab nende kahe termini samaaegne esinemine eksootilisi režiime, milles suurenev interaktsioon viib topoloogiline Thouless pump. Samuti näitame, et optilis võres olevad magnetaatomid kujutavad endast peamist platvormi selle füüsika kvantsimuleerimiseks.

See töö näitab, et tõrjuvad fermioonsed interaktsioonid ei ole Thoulessi pumpadele põhimõtteliselt kahjulikud, avades võimaluse eksperimentaalselt jälgida interaktsioonist põhjustatud ühemõõtmelise topoloogilise transpordi taastumist.

► BibTeX-i andmed

► Viited

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

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

[3] MZ Hasan ja CL Kane, Rev. Mod. Phys. 82, 3045 (2010).
https://​/​doi.org/​10.1103/​RevModPhys.82.3045

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

[5] LD Landau, EM Lifshitz ja M. Pitaevskii, Statistical Physics (Butterworth-Heinemann, New York, 1999).

[6] KG Wilson ja 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 ja 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 ja 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 ja E. Altman, Phys. Rev. Lett. 106, 110405 (2011).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.106.110405

[13] S. Greschner, S. Mondal ja 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 ja F. Heidrich-Meisner, Phys. Rev. B 98, 245148 (2018).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.98.245148

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

[26] IM Georgescu, S. Ashhab ja 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 ja 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 ja M. Zwierlein, PRX Quantum 2, 017003 (2021).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PRXQuantum.2.017003

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

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

[31] T. Ozawa, HM Price, A. Amo, N. Goldman, M. Hafezi, L. Lu, MC Rechtsman, D. Schuster, J. Simon, O. Zilberberg ja 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 ja 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 ja MC Rechtsman, Light: Science & Applications 9, 178 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41377-020-00408-2

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

[35] M. Jürgensen, S. Mukherjee, C. Jörg ja 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 ja 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 ja 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 ja T. Esslinger, Phys. Rev. Lett. 129, 053201 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.129.053201

[39] A.-S. Walter, Z. Zhu, M. Gächter, J. Minguzzi, S. Roschinski, K. Sandholzer, K. Viebahn ja 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 ja 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 ja 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 ja 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 ja 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 ja M. Greiner, Nature 619, 495 (2023).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-023-06122-4

[45] S. Ejima ja 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 ja 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 ja 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 ja F. Pollmann, SciPost Phys. Lekt. Märkmed , 5 (2018).
https://​/​doi.org/​10.21468/​SciPostPhysLectNotes.5

[50] M. Nakamura, J. Phys. Soc. Jaapan, 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 ja DK Campbell, Phys. Rev. B 65, 155113 (2002).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.65.155113

[54] AW Sandvik, L. Balents ja 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 ja DK Campbell, Phys. Rev. Lett. 96, 036408 (2006).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.96.036408

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

[58] M. Di Dio, L. Barbiero, A. Recati ja 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 ja A. Dauphin, Phys. Rev. Res. 4, L032005 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevResearch.4.L032005

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

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

[62] S. Ryu, AP Schnyder, A. Furusaki ja 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 ja 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 ja N. Kawakami, Phys. Rev. Lett. 112, 196404 (2014).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.112.196404

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

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

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

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

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

[71] Y.-T. Lin, DM Kennes, M. Pletjuhhov, CS Weber, H. Schoeller ja 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 ja L. Barbiero, Phys. Rev. B 106, L241115 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.106.L241115

[73] DJ Thouless, M. Kohmoto, parlamendiliige Nightingale ja 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 ja G. Vidal, Phys. Rev. B 78, 155117 (2008).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.78.155117

[76] JA Marks, M. Schüler, JC Budich ja 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 ja C. Kollath, Phys. Rev. Lett. 119, 230403 (2017).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.119.230403

[78] L. Barbiero, A. Montorsi ja 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 ja 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 ja 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 ja 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 ja 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 ja 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 ja 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 ja L. Barbiero, Phys. Rev. Lett. 128, 043402 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.128.043402

[86] M. Sohmen, MJ Mark, M. Greiner ja 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 ja C. Chin, Phys. Rev. A 79, 013622 (2009).
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.79.013622

Viidatud

[1] Sergi Julià-Farré, Javier Argüello-Luengo, Loïc Henriet ja Alexandre Dauphin, "Kvantiseeritud tuhandete pumbad, mida kaitsevad vastasmõjud dimeriseeritud Rydbergi pintsetimassiivides", arXiv: 2402.09311, (2024).

[2] Ashirbad Padhan ja Tapan Mishra, "Häire juhitav tuhat laadimispumpa kvaasiperioodilises ahelas", arXiv: 2312.16568, (2023).

Ülaltoodud tsitaadid on pärit SAO/NASA KUULUTUSED (viimati edukalt värskendatud 2024-03-16 01:49:46). Loend võib olla puudulik, kuna mitte kõik väljaandjad ei esita sobivaid ja täielikke viiteandmeid.

On Crossrefi viidatud teenus teoste viitamise andmeid ei leitud (viimane katse 2024-03-16 01:49:45).

Ajatempel:

Veel alates Quantum Journal