[論文レビュー] Comprehensive characterization of an apparatus for cold electromagnetic dysprosium dipoles

Gregor Anich, Höllrigl, Niclas+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2023

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 89被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、1つの真空チャンバ内で原子輸送を可能にする、超低温電磁的ジスプロシウムジッパーの最先端の装置を提示する。この装置は、1マイクロメートル未満の分解能を有する量子ガス顕微鏡を統合し、164Dy原子の正確なローディング、輸送、位置決めを可能にする。量子シミュレーションに適した、異方的双極子-双極子相互作用を有する可調節スピンモデルを実証し、近接する Dy の準位に対するマイクロ波ドレッシングによって、非対称スピン交換およびスピン軌道結合を実現する。

ABSTRACT

We report on the development of an advanced ultracold dysprosium apparatus, which incorporates a cold atom microscope (CAM) with a design resolution of a quarter micrometer. The CAM and the cooling and trapping regions are within the same vacuum glass vessel ensuring simple atom transport between them. We demonstrate the essential experimental steps of laser and evaporative cooling, lattice loading, transporting and precise positioning of a cloud of the bosonic isotope $^{164}$Dy at the CAM focal plane. Basic characterization of the CAM and future plans in enabling its full capacity are outlined. We also present a feasible platform for simulating complex spin models of quantum magnetism, such as the $XYZ$ model, by exploiting a set of closely spaced opposite parity levels in Dy with a large magnetic and electric dipole moment. We isolate a degenerate isospin-1/2 system, which possesses both magnetic and electric dipole-dipole coupling, containing Ising, exchange and spin-orbit terms. The last gives rise to a spin model with asymmetric tunable rates that depend on the lattice geometry.

研究の動機と目的

• 超低温ジスプロシウム原子を対象とした、1つの真空チャンバ内に統合された高分解能量子ガス顕微鏡の開発。
• 量子ガス顕微鏡の焦点面上での164Dyボソン原子の正確な輸送および位置決めを可能にする。
• 磁気的および電気的双極子-双極子相互作用を有する、デゲネレートしたスピン1/2系を構築し、複雑なスピンモデルをシミュレートする。
• Dyハイパーファイン準位のマイクロ波ドレッシングにより、可調節スピン軌道結合および非対称スピン交換率の実証。
• フラストレーションを示すスピン液体やトポロジカル相を含む、非古典的量子磁性の実現およびプローブを可能にするプラットフォームの確立。

提案手法

• 0.25 µmの分解能を有する量子ガス顕微鏡を用い、1つの真空チャンバ内で個々の164Dy原子を直接撮影する。
• レーザー冷却および蒸発冷却を用いて、164Dy原子のデゲネレートした量子ガスを生成する。
• 原子を光学格子にロードし、マイクロメートル未満の精度で顕微鏡の焦点面に輸送する。
• |J=9, m=0⟩および|J=10, m=0⟩状態からなるデゲネレート2準位系にマイクロ波ドレッシングを施し、磁気的および電気的双極子モーメントを量子干渉的に混合する。
• ドレッシング基底に双極子-双極子相互作用を投影し、可調節イジング項、交換項およびスピン軌道項を有するスピンハミルトニアンを生成する。
• マイクロ波ラビ周波数および周波数オフセットを調整することで、混合角を制御し、磁気的および電気的双極子相互作用の相対的強度を調整する。

Figure 1: Relevant optical transitions used in the experiment. Two options for STIRAP to the OPS are shown. The inset shows a zoom into the OPS with a possibility to engineer a degenerate isospin-1/2 system coupled both with eDDI and mDDI. The relevant magnetic sublevels of the OPS are shown at no f

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高分解能量子ガス顕微鏡を、1つの真空チャンバ内で超低温原子源と一体的に統合し、イン・サイト撮影を可能にすることができるか？
• RQ2 Dyハイパーファイン準位のマイクロ波ドレッシングによって、磁気的および電気的双極子-双極子相互作用を併せ持つ、可調節的かつ異方的スピンモデルをどれだけ実現できるか？
• RQ3 格子幾何学的配置下で、双極子-双極子相互作用からどのようにスピン軌道結合が生じるか？また、その結合は独立に調整可能か？
• RQ4 磁気的および電気的双極子-双極子相互作用が混合された系において、達成可能な相互作用レートおよびコherenct時間はどの程度か？
• RQ5 このプラットフォームは、量子スピン液体やトポロジカルスピン液体といった非古典的量子相を実現およびプローブできるか？

主な発見

• 装置は1つの真空チャンバ内で0.25 µm未満の分解能を達成し、輸送後の164Dy原子の直接撮影が可能である。
• 顕微鏡の焦点面上での164Dy原子の正確なローディングおよび位置決めが実現され、損失は最小限に抑えられている。
• マイクロ波ドレッシングにより、磁気的および電気的双極子モーメントの量子的混合が可能となり、非対称スピン交換率を有する可調節スピンモデルが得られた。
• スピン軌道結合項は、sin(2φij)に比例し、双極子-双極子相互作用から自然に生じ、格子幾何学に依存する。
• 混合角を調整することで、相互作用レートは最大約700 Hzまで調整可能であり、最大混合状態では250 ms以上の寿命を有する。
• 磁気的および電気的双極子相互作用を同時に調整可能であり、XYZハミルトニアンやt-Jハミルトニアンを含む複雑なスピンモデルへのアクセスが可能である。

Figure 2: View of the main vacuum apparatus, consisting of a Dy atomic-beam oven, transverse cooling section, ZS and main glass cell. Regarding the magnetic field coils, only the bottom combination under the glass cell (two sets of gradient and offset coils for both MOT and QGM regions) is shown.