[論文レビュー] Bloch Oscillations Along a Synthetic Dimension of Atomic Trap States

C.J. Oliver, Aaron Smith+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、原子の調和トラップ状態によって形成される合成次元におけるブロッホ振動の初の実験的実現を示している。トラップポテンシャルを動的に変調することで制御可能な力を生成し、数十個のトラップ状態をまたがる周期的振動を観測した。この振動は合成次元の存在を強く示す証拠であり、有効バンド構造の特徴づけを可能にし、量子シミュレーションに向けた高エネルギー状態の制御を可能にする。

ABSTRACT

Synthetic dimensions provide a powerful approach for simulating condensed matter physics in cold atoms and photonics, whereby a set of discrete degrees of freedom are coupled together and re-interpreted as lattice sites along an artificial spatial dimension. However, atomic experimental realisations have been limited so far by the number of artificial lattice sites that can be feasibly coupled along the synthetic dimension. Here, we experimentally realise for the first time a very long and controllable synthetic dimension of atomic harmonic trap states. To create this, we couple trap states by dynamically modulating the trapping potential of the atomic cloud with patterned light. By controlling the detuning between the frequency of the driving potential and the trapping frequency, we implement a controllable force in the synthetic dimension. This induces Bloch oscillations in which atoms move periodically up and down tens of atomic trap states. We experimentally observe the key characteristics of this behaviour in the real space dynamics of the cloud, and verify our observations with numerical simulations and semiclassical theory. This experiment provides an intuitive approach for the manipulation and control of highly-excited trap states, and sets the stage for the future exploration of topological physics in higher dimensions.

研究の動機と目的

• 従来の実験で数サイトに制限されていたものとは異なり、原子の調和トラップ状態を用いて長く制御可能な合成次元を実現すること。
• ブロッホ振動を合成次元の妥当性および有効バンド構造の直接的証明として示すこと。
• 量子シミュレーションや量子工学的応用を目的として、高エネルギー状態のトラップ状態を正確に操作・制御できることを実現すること。
• 調整可能な人工ゲージ場と有限範囲の相互作用を用いて、高次元トポロジカル物理学の可能性を検討すること。

提案手法

• パターン化された光を用いて、超低温原子クラウドのトラップポテンシャルを動的に変調し、離散的な調和トラップ状態を合成空間次元に結合する。
• 駆動周波数とトラップ周波数のずれを制御することで、合成次元に沿った調整可能な力を生成する。
• 得られる有効なポテンシャル勾配により、原子が低エネルギー状態と高エネルギー状態を行ったり来したりする周期的ブロッホ振動を誘発する。
• クラウドの動的挙動を実空間で測定し、振動的挙動を観測するとともに、数値シミュレーションと半古典理論による検証を行う。
• クラウドの分裂を低減し、振動の忠実度を向上させるために、駆動ポテンシャルの形状（例：線形対非線形）を最適化する。
• 初期状態を励起状態にした後、駆動を開始する二段階プロトコルを採用することで、状態準備の忠実度をさらに向上させる可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子の調和トラップ状態によって形成される合成次元において、ブロッホ振動を実験的に観測できるか？
• RQ2 実験系において、合成次元はどの程度長く、どのように制御可能か？
• RQ3 駆動周波数とトラップ周波数のずれが、合成次元における振動ダイナミクスおよびクラウド幅にどのように影響するか？
• RQ4 観測されたブロッホ振動は、合成格子の有効バンド構造を特徴づける信頼できる指標として機能するか？
• RQ5 このような合成次元において、状態準備の忠実度と振動のコherenecyを向上させる戦略は何か？

主な発見

• 数十個の原子トラップ状態をまたがるブロッホ振動が実験的に観測され、長大で制御可能な合成次元の存在と制御可能性が確認された。
• 振動周期と振幅が、駆動周波数とトラップ周波数のずれによって調整可能であり、合成次元における有効力の制御が可能であることが示された。
• 半値全幅（FWHM）は、ずれが2 Hzのとき約8状態、5 Hzのとき約5状態であり、ずれが大きくなるほど幅が小さくなることが測定された。
• 数値シミュレーションにより、線形駆動ポテンシャル（V(x,t) = κx cos(ω_D t)）が実験的非線形ポテンシャルよりもクラウド分裂を抑制し、コherenecyを向上させることを確認した。
• 初期状態として非相互作用ボーズ＝アインシュタイン凝縮を基底状態に準備してもブロッホ振動が観測されたため、初期状態準備に対するロバストネスが示された。
• 本手法により、高エネルギー状態のトラップ状態を高精度で操作可能となり、量子シミュレーションや外部原子状態の工学的制御の新たな道が開かれる。