Band gap closing in a synthetic Hall tube of neutral fermions /

광격자 (Optical Lattice) 원자기체 시스템은 고체 내 전자계의 다양한 물리 현상을 모사할 수 있는 실험 플랫폼으로 지난 십여 년간 꾸준하게 발전되어 왔다. 특별히 최근에는 전하를 띠지 않는 중성 원자에 대해 인공 게이지 포텐셜 (Artificial Gauge Potential)을 생성하는 다양한 실험기술이 소개되었는데, 이를 통해 광격자 양자물성 연구는 양자 홀 효과 (Quantum Hall Effect) 등을 비롯한 보다 넓은 범위의 주제들로 확장되고 있다. 본 학부의 양자기체연구실 연구진은 이러한 광격자 실험연구를 극저온 이터븀 페르미 원자기체를 이용하여 수행하고 있으며, 최근 삼중 다리 구조를 갖는 홀 튜브 (Hall tube) 시스템을 구현하고 이의 위상 상전이 특이점을 관측한 연구결과를 발표하였다. 홀 튜브 시스템은 이차원 양자 홀 현상의 기본 모델과 동일한 하퍼-호프스테터 (Harper-Hofstadter) 해밀토니안을 가지면서 동시에 주기적인 경계 조건을 갖도록 구현되었다. 즉 자기장 선속을 갖는 이차원 사각격자를 둥글게 말아놓은 시스템으로 이해할 수 있다. 홀 시스템의 경계 조건이 주기적인 상태에서 열린 상태로 변화할 때, 시스템은 위상 상전이를 겪는다는 것이 이론적으로 알려져 왔다. 연구진은 양자 퀜치 (Quantum Quench) 동력학 연구를 통해 시스템의 밴드 구조를 다양한 경계조건에 대해 조사하였고, 밴드 갭 닫힘 현상이 예측된 경계조건 임계점에서 발생하는 것을 직접 관측함으로써 이 홀 튜브 시스템의 위상 상전이 현상을 규명하였다. 본 연구는 특이 경계조건을 갖는 홀 시스템에 대한 첫 번째 실험 연구로서 앞으로 홀 상태의 위상 성격을 이해하는데 도움이 되는 방향으로 발전할 수 있을 것으로 기대된다. 특별히 원자 간의 상호작용을 조절하는 실험기술이 접목될 경우, 구현된 홀 튜브 시스템은 상관관계를 갖는 새로운 위상 상태를 탐색하는데 적극 활용될 수 있으리라 기대된다.

참여연구원: 한정호, 강진현, 신용일

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.065303