論文の概要: Realization of an atomic quantum Hall system in four dimensions
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2210.06322v1
- Date: Wed, 12 Oct 2022 15:41:45 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-01-22 19:34:53.773103
- Title: Realization of an atomic quantum Hall system in four dimensions
- Title（参考訳）: 4次元における原子量子ホール系の実現
- Authors: Jean-Baptiste Bouhiron, Aur\'elien Fabre, Qi Liu, Quentin Redon, Nehal
Mittal, Tanish Satoor, Raphael Lopes, Sylvain Nascimbene
- Abstract要約: 我々は、電子スピン$J = 8$のジスプロシウム原子に符号化された2つの合成原子と光電場とを結合させることにより、4Dで進化する原子量子ホールシステムを設計した。
4次元量子ホール系の特性,すなわち電磁非線形応答の量子化を第2チャーン数で測定する。
我々の発見は、相互作用する量子ホール系を4Dで探索するための道を開いた。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 9.610251371339375
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Topological states of matter lie at the heart of our modern understanding of
condensed matter systems. In two-dimensional (2D) quantum Hall insulators, the
non-trivial topology, defined by the first Chern number, manifests as a
quantized Hall conductance and protected ballistic edge modes. Besides
topological insulators and Weyl semi-metals experimentally realized in 3D
materials, a large variety of topological systems, theoretically predicted in
dimensions $D > 3$, remains unexplored - among them a generalization of the
quantum Hall effect in 4D. So far, topological properties linked with the 4D
Hall effect have been revealed via geometrical charge pump experiments in 2D
systems. A truly 4D Hall system has also been realized using electronic
circuits - however, no direct evidence of topological quantization has been
reported. Here, we engineer an atomic quantum Hall system evolving in 4D, by
coupling with light fields two spatial dimensions and two synthetic ones
encoded in the electronic spin $J = 8$ of dysprosium atoms. We measure the
characteristic properties of a 4D quantum Hall system, namely the quantization
of its electromagnetic non-linear response by a second Chern number, and the
special nature of its 3D hyperedge modes, which combine ballistic motion along
one orientation and insulating behaviour in the two remaining directions. We
also probe low-lying excitations, revealing non-planar cyclotron orbits in
contrast with their circular equivalents in $D\leq3$. Our findings pave the way
to the exploration of interacting quantum Hall systems in 4D, from the
investigation of strongly-correlated liquids to the simulation of high-energy
models in link with quantum gravity and Yang-Mills field theory.
- Abstract（参考訳）: 物質の位相状態は、現代における凝縮物系の理解の中心にある。
2次元(2次元)量子ホール絶縁体では、第一チャーン数で定義される非自明な位相は量子化されたホールコンダクタンスと保護された弾道エッジモードとして表される。
3d材料で実験的に実現されたトポロジカル絶縁体とワイル半金属の他に、理論上は3$の次元で予測される様々なトポロジカル系は、まだ未検討のままであり、中でも4dでの量子ホール効果の一般化である。
これまでのところ、4Dホール効果に関連する位相特性は、2Dシステムにおける幾何電荷ポンプ実験によって明らかにされている。
真の4Dホールシステムは電子回路でも実現されているが、位相量子化の直接的な証拠は報告されていない。
ここでは、光電場と2つの空間次元と電子スピン$J = 8$のジスプロシウム原子に符号化された2つの合成粒子とを結合することにより、4次元で進化する原子量子ホール系を設計する。
本研究では, 2次チャーン数による電磁非線形応答の量子化と, 1方向に沿った弾道運動と2方向の絶縁挙動を組み合わせた3次元ハイパーエッジモードの特性を計測する。
また、低軌道の励起を探索し、D\leq3$の円準同値と対照的に非平面サイクロトロン軌道を明らかにする。
強相関液体の研究から,量子重力やyang-mills場理論と関連した高エネルギーモデルのシミュレーションまで,4次元における相互作用する量子ホール系の研究への道が開けた。
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