Topological properties of physical systems can lead to robust behaviors that are insensitive to microscopic details. Such topologically robust phenomena are not limited to static systems but can also appear in driven quantum systems. In this paper, we show that the Floquet operators of periodically driven systems can be divided into topologically distinct (homotopy) classes, and give a simple physical interpretation of this classification in terms of the spectra of Floquet operators. Using this picture, we provide an intuitive understanding of the well-known phenomenon of quantized adiabatic pumping. Systems whose Floquet operators belong to the trivial class simulate the dynamics generated by time-independent Hamiltonians, which can be topologically classified according to the schemes developed for static systems. We demonstrate these principles through an example of a periodically driven two--dimensional hexagonal lattice model which exhibits several topological phases. Remarkably, one of these phases supports chiral edge modes even though the bulk is topologically trivial.

Understanding relaxation processes is an important unsolved problem in many areas of physics. A key challenge in studying such non-equilibrium dynamics is the scarcity of experimental tools for characterizing their complex transient states. We employ measurements of full quantum mechanical probability distributions of matter-wave interference to study the relaxation dynamics of a coherently split one-dimensional Bose gas and obtain unprecedented information about the dynamical states of the system. Following an initial rapid evolution, the full distributions reveal the approach towards a thermal-like steady state characterized by an effective temperature that is independent from the initial equilibrium temperature of the system before the splitting process. We conjecture that this state can be described through a generalized Gibbs ensemble and associate it with pre-thermalization.

In this paper, we study transport properties of nonequilibrium systems under the application of light in many-terminal measurements, using the Floquet picture. We propose and demonstrate that the quantum transport properties can be controlled in materials such as graphene and topological insulators, via the application of light. Remarkably, under the application of off-resonant light, topological transport properties can be induced; these systems exhibit quantum Hall effects in the absence of a magnetic field with a near quantization of the Hall conductance, realizing so-called quantum Hall systems without Landau levels first proposed by Haldane.

Geometric phases that characterize the topological properties of Bloch bands play a fundamental role in the modern band theory of solids. Here we report on the direct measurement of the geometric phase acquired by cold atoms moving in one-dimensional optical lattices. Using a combination of Bloch oscillations and Ramsey interferometry, we extract the Zak phase - the Berry phase acquired during an adiabatic motion of a particle across the Brillouin zone - which can be viewed as an invariant characterizing the topological properties of the band. For a dimerized optical lattice, which models polyacetylene, we measure a difference of the Zak phase equal to phi_Zak=0.97(2)pi for the two possible polyacetylene phases with different dimerization. This indicates that the two dimerized phases belong to different topological classes, such that for a filled band, domain walls have fractional quantum numbers. Our work establishes a new general approach for probing the topological structure of Bloch bands in optical lattices.

We introduce a new approach to create and detect Majorana fermions using optically trapped 1D fermionic atoms. In our proposed setup, two internal states of the atoms couple via an optical Raman transition-simultaneously inducing an effective spin-orbit interaction and magnetic field-while a background molecular BEC cloud generates s-wave pairing for the atoms. The resulting cold-atom quantum wire supports Majorana fermions at phase boundaries between topologically trivial and nontrivial regions, as well as "Floquet Majorana fermions" when the system is periodically driven. We analyze experimental parameters, detection schemes, and various imperfections.

Topological phases exhibit some of the most striking phenomena in modern physics. Much of the rich behaviour of quantum Hall systems, topological insulators, and topological superconductors can be traced to the existence of robust bound states at interfaces between different topological phases. This robustness has applications in metrology and holds promise for future uses in quantum computing. Engineered quantum systems—notably in photonics, where wavefunctions can be observed directly—provide versatile platforms for creating and probing a variety of topological phases. Here we use photonic quantum walks to observe bound states between systems with different bulk topological properties and demonstrate their robustness to perturbations—a signature of topological protection. Although such bound states are usually discussed for static (time-independent) systems, here we demonstrate their existence in an explicitly time-dependent situation. Moreover, we discover a new phenomenon: a topologically protected pair of bound states unique to periodically driven systems. Topological phases are unusual states of matter whose properties are robust against small perturbations. Using a photonic quantum walk system, Kitagawaet al. simulate one-dimensional topological phases and reveal novel topological phenomena far from the static or adiabatic regimes.

The quantum walk was originally proposed as a quantum mechanical analogue of the classical random walk, and has since become a powerful tool in quantum information science. In this paper, we show that discrete time quantum walks provide a versatile platform for studying topological phases, which are currently the subject of intense theoretical and experimental investigation. In particular, we demonstrate that recent experimental realizations of quantum walks simulate a non-trivial one dimensional topological phase. With simple modifications, the quantum walk can be engineered to realize all of the topological phases which have been classified in one and two dimensions. We further discuss the existence of robust edge modes at phase boundaries, which provide experimental signatures for the non-trivial topological character of the system.