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一维光学超晶格系统中的分数拓扑态研究取得新进展

2013-06-01 09:16
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  分数量子霍尔效应作为凝聚态物理一个重要的领域在过去的数十年中受到了广泛的关注,其中1982年的发现分数量子霍尔效应实验以及1983年的解释分数量子霍尔效应的理论研究在1998年获得诺贝尔物理学奖。迄今为止,人们只在强磁场下的二维电子气中观测到分数霍尔效应。

  近年来探索在其他系统,例如没有磁场的格点系统及冷原子系统,中实现分数量子霍尔效应,是一个重要的研究课题。在冷原子系统中,利用快速旋转的BEC的方法或用激光产生人造规范场的方法,能有效地实现朗道能级。由于长程相互作用的存在,具有偶极相互作用的超冷费米体系是一个非常好的可能实现分数量子霍尔态的候选系统。

  另外,最近的理论研究表明,在拓扑非平庸的平坦能带上引入电子强相互作用并使电子分数填充能带后,也有可能实现分数量子霍尔态。

  对于非平庸的拓扑态的研究主要集中在二维系统,而一维系统直到最近才开始被关注。在陈澍研究小组去年的工作中[Phys. Rev. Lett. 108, 220401 (2012)] ,他们发现一维的周期调制的超晶格模型是拓扑非平庸的,可以由一个定义在有效的二维参数空间中的非平庸的陈数(Chern number)来标定。

  在这类模型中,周期调制势中的相位参数提供了一个除动量之外的额外维度。一维准周期系统中的非平庸的边界态最近已被以色列的一个研究小组利用光子晶体系统在实验上观察到。由于分数量子霍尔效应来源于具有强的长程相互作用的整数量子霍尔效应, 一个有趣的问题就是对于一维的准周期的系统在加入长程相互作用后是否会出现类似分数量子霍尔态的量子态?

  最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)T01组陈澍研究员和博士生徐志浩和李林虎在一维光学超晶格系统的分数拓扑态研究方面取得理论进展。他们系统地研究了周期调制的一维光学超晶格系统中的具有偶极相互作用的费米体系,发现对于能带被分数填充的情况下,当偶极相互作用变得很强时,在一维的准周期光晶格系统中存在分数拓扑态。

  他们发现这个一维超晶格中的分数拓扑态和分数量子霍尔态具有很多有趣的联系:

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