Search of topological phenomena in correlated open quantum systems based on quantum entanglement

• Project Area: The Natural Laws of Extreme Universe--A New Paradigm for Spacetime and Matter from Quantum Information
• Project/Area Number: 22H05247
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 吉田 恒也 京都大学, 理学研究科, 准教授 (50733078)
• Project Period (FY): 2022-06-16 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 開放多体系 / トポロジカル物性 / 開放量子系 / 強相関効果 / トポロジー / 非エルミートトポロジー / 非平衡現象 / 量子もつれ

Outline of Research at the Start

ここ数年で、非エルミート系では特有のトポロジカル物性が見られることが明らかとなり集中的な研究が行われている。これらの研究のほとんどはバンド理論にもとづくものであり、強相関効果の解明が求められている。
本研究では、散逸のある冷却原子系などの開放量子系を舞台に、非エルミートトポロジーにおける強相関効果の解明に挑戦する。特に量子もつれという観点から非エルミートな分数量子ホール状態や対称性に保護されたトポロジカル状態を解析する。

Outline of Annual Research Achievements

本年度の成果は以下の通りである。(i) 強相関開放量子系での非エルミート表皮効果とダイナミクス (ii)相互作用誘起のリウビリアン表皮効果の提案
(i)の「強相関開放量子系での非エルミート表皮効果とダイナミクス」では開放系に特有の現象である非エルミート表皮効果を強相関系において解析した。相互作用が強い領域では電荷自由度が凍結したモット絶縁相という強相関効果が本質的に効いた量子相が発現する。本研究では開放系において、強相関効果に起因した非エルミートモット表皮効果という新しい現象を提案した[T. Yoshida et al., arXiv(2023)]。さらに非平衡ダイナミクスを解析し、モット表皮効果により試料端でスピンの動的な蓄積が見られることを明らかにした。
(ii)の「相互作用誘起のリウビリアン表皮効果の提案」では、強相関開放系で見られる二体ロスが系にトポロジカルに非自明な構造を与え、リウビリアン表皮効果を誘起し得ることを明らかにした。また、このリウビリアン表皮効果により、試料端における電荷の動的な蓄積が見られることを数値的に実証した[S. Hamanaka et al., PRB (2023)]。
上記の課題に加え、メタマテリアルにおけるトポロジカル物性とバルク境界対応も解析した。トポロジカル物性はこれまで線形方程式で記述される系の解析が中心であったが、光メタマテリアルのうちのいくつかは、固有値が非線形になった非線形固有値問題で記述される。本研究ではそのような系をターゲットにバルク境界対応の拡張を行った[T. Isobe et al., PRL (2024)]。さらに、光メタマテリアルのトポロジカルバンド構造に関して、招待論文を上梓した。
以上のように計画当初想定していた結果に加えて成果をあげることができた。このことから、当初の想定以上に進展したと考えている。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] チューリッヒ大学(スイス)
• [Journal Article] Bulk-edge correspondence for nonlinear eigenvalue problems (2024)
  • Author(s): Takuma Isobe, Tsuneya Yoshida, and Yasuhiro Hatsugai
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 132 Issue: 12 Pages: 126601-126601
  • DOI: 10.1103/physrevlett.132.126601
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Point-Gap Topology of Non-Hermitian Many-Body Systems (2023)
  • Author(s): Shu Hamanaka, Kazuki Yamamoto, and Tsuneya Yoshida
  • Journal Title: New Physics: Sae Mulli Volume: 73 Issue: 12 Pages: 1178-1182
  • DOI: 10.3938/npsm.73.1178
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Interaction-induced Liouvillian skin effect in a fermionic chain with a two-body loss (2023)
  • Author(s): Shu Hamanaka, Kazuki Yamamoto, and Tsuneya Yoshida
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 108 Issue: 15 Pages: 155114-155114
  • DOI: 10.1103/physrevb.108.155114
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Non-Hermitian Mott Skin Effect (2023)
  • Author(s): Tsuneya Yoshida, Song-Bo Zhang, Titus Neupert, and Norio Kawakami
  • Journal Title: arXiv Volume: 2309.14111 Pages: 1-25
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] Higher-order topological heat conduction on a lattice for detection of corner states (2023)
  • Author(s): Takahiro Fukui, Tsuneya Yoshida, and Yasuhiro Hatsugai
  • Journal Title: Physical Review E Volume: 108 Issue: 2 Pages: 24112-24112
  • DOI: 10.1103/physreve.108.024112
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A symmetry-protected exceptional ring in a photonic crystal with negative index media (2023)
  • Author(s): Takuma Isobe, Tsuneya Yoshida, and Yasuhiro Hatsugai
  • Journal Title: Nanophotonics Volume: 12 Issue: 13 Pages: 2335-2346
  • DOI: 10.1515/nanoph-2022-0747
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Z2 non-Hermitian skin effect in equilibrium heavy-fermion systems (2023)
  • Author(s): Shin Kaneshiro, Tsuneya Yoshida, and Robert Peters
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 107 Issue: 19 Pages: 195149-195149
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.195149
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Fate of exceptional points under interactions: Reduction of topological classifications (2023)
  • Author(s): Tsuneya Yoshida and Yasuhiro Hatsugai
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 107 Issue: 7 Pages: 75118-75118
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.075118
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Z2 Non-Hermitian skin effect in equilibrium heavy-fermions (2023)
  • Author(s): Shin Kaneshiro, Tsuneya Yoshida, and Robert Peters
  • Journal Title: arXiv Volume: 2302.14366
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation of bulk-edge correspondence in topological pumping based on a tunable electric circuit (2023)
  • Author(s): Kenichi Yatsugi, Tsuneya Yoshida, Tomonari Mizoguchi, Yoshihito Kuno, Hideo Iizuka, Yukihiro Tadokoro, and Yasuhiro Hatsugai
  • Journal Title: Communications Physics Volume: 5 Issue: 1 Pages: 180-180
  • DOI: 10.1038/s42005-022-00957-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A symmetry-protected exceptional ring in a photonic crystal with negative index media (2022)
  • Author(s): Takuma Isobe, Tsuneya Yoshida, Yasuhiro Hatsugai
  • Journal Title: arXiv Volume: 2212.1109
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 判別式による例外点の特徴づけ (2024)
  • Author(s): 吉田恒也
  • Organizer: 日本物理学会２０２４春季大会
• [Presentation] 一次元ボソン系におけるモット表皮効果 (2024)
  • Author(s): 吉田恒也
  • Organizer: 日本物理学会２０２４春季大会
• [Presentation] 強相関系におけるトポロジカル物性 (2023)
  • Author(s): 吉田恒也
  • Organizer: 強相関系におけるトポロジカル現象の進展
• [Presentation] 強相関効果による非エルミートトポロジカル分類学のリダクション (2023)
  • Author(s): 吉田恒也
  • Organizer: 強相関電子系のフロンティア
  • Invited
• [Presentation] メカニカルメタマテリアルにおける対称性と例外点 (2023)
  • Author(s): 吉田恒也
  • Organizer: オンライントポロジカルフォノニクス研究会
  • Invited
• [Presentation] Fragility/robustness of exceptional points in correlated systems: reduction of topological classification (2023)
  • Author(s): 吉田恒也
  • Organizer: Frontiers in nonequilibrium physics: Active matter, topology and beyond
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 強相関系における非エルミートトポロジー (2023)
  • Author(s): 吉田恒也
  • Organizer: 量子凝縮相研究における新潮流
  • Invited
• [Presentation] 数値対角化を用いた強相関非エルミートトポロジーの解析 (2023)
  • Author(s): 吉田恒也
  • Organizer: 物性研究所共同利用スパコン・CCMS合同研究会
  • Invited
• [Presentation] 例外点に対する対称性と強相関効果 (2023)
  • Author(s): 吉田恒也
  • Organizer: CREST チュートリアル・ワークショップ
  • Invited
• [Presentation] 例外点における強相関効果 (2023)
  • Author(s): 吉田恒也、初貝安弘
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] Correlation effects on non-Hermitian topological classifications (2023)
  • Author(s): suneya Yoshida
  • Organizer: APS march meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Correlation effects on the non-Hermitian topology (2022)
  • Author(s): Tsuneya Yoshida
  • Organizer: 2nd ExU Annual Meeting
• [Presentation] 非エルミート系の点ギャップトポロジーにおける対称性と強相関効果 (2022)
  • Author(s): 吉田恒也
  • Organizer: 駒場物性セミナー
  • Invited
• [Presentation] Effects of symmetry and interactions on exceptional points (2022)
  • Author(s): Tsuneya Yoshida
  • Organizer: CREST seminar
  • Invited
• [Presentation] 一次元点ギャップトポロジーに対する強相関効果 (2022)
  • Author(s): 吉田恒也、初貝安弘
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] Correlation effects on Z classification of non-Hermitian topology (2022)
  • Author(s): Tsuneya Yoshida
  • Organizer: Mini-Symposium on non-Hermitian Quantum Mechanics
  • Int'l Joint Research / Invited