[論文レビュー] Cyclotron dynamics of cold atoms in 2D optical lattices

Andrey R. Kolovsky|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2010

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 16被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、低周波数の周期的駆動を用いて光格子内の冷たい原子に対して人工磁場を生成する手法を提案する。この手法により光子補助トンネル効果が誘発され、サイクロトロン的運動が可能になる。主な貢献は、ラマンレーザーを不要とするシンプルな装置であり、散乱放出損失を回避する。干渉縞と重心波パッケットの運動を用いた検出により、古典的サイクロトロン運動が観測される。

ABSTRACT

We propose a simple setup for introducing an artificial magnetic field for neutral atoms in 2D optical lattices. This setup is based on the phenomenon of photon-assistent tunneling and involves a low-frequency periodic driving of the optical lattice. We also address the problem of detecting this effective magnetic field. In particular, we discuss interference patterns of the atomic wave function and study the center of mass wave-packet dynamics, which shows some features of cyclotron dynamics of a classical charged particle. Introduction. – A major motivation of current research with cold atoms in optical lattices is the prospect of simulating the solid state physics. However, to have a full access to phenomena of the solid state physics this system (which can be considered as an artificial crystal) should be accomplished by artificial electric and magnetic fields. In present days experiments the former case of external electric field is routinely mimicked by accelerating the optical lattice [1–3], or by using the gravitational force [4–6] or a combination of gravitational and levitational forces [7]. The case of magnetic field is more difficult for laboratory realization because it requires a setup, where atomic wave function acquires a finite phase when the atom tunnels along a closed path on the lattice. This setup was suggested in the seminal paper [8], where the authors use two independent 2D optical lattices for two different internal atomic states, which are coupled by additional Raman lasers. The Rabi transition between internal states induces hopping of the atom between nearest lattice sites, where the required phase accumulation is achieved by using a special geometry for the Raman beams. This idea was developed further in Ref. [9, 10]. It was shown that one can also introduce an exotic (unphysical) field and non-Abelian gauge potentials by using the Raman-laser technique. For atoms in a harmonic trap (no lattice) the Raman scheme with 3 spin states of the F = 1 electronic ground state of Rb atom was realized in the recent experiment [11]. In this setup the magnitude of the effective magnetic field is defined by the gradient of the real magnetic field which splits the F = 1 level into Zeeman sublevels. In the paper the authors put forward a conjecture that this scheme should work in the presence of an optical lattice as well. We note that the cited experiment also illuminated a drawback of the Raman-laser based techniques. Namely, the spontaneous emission from the Raman beams removes atom from the trap, causing the population to decay within approx. 2 seconds.

研究の動機と目的

• ラマンレーザーに依存しない、実験的に実現可能な2次元光格子における人工磁場を実現するためのシンプルな手法を開発すること。
• 既存のラマンベースの手法で生じる散乱放出による制限（約2秒以内の原子損失）を克服すること。
• 周期的駆動によって有効な磁束を誘導し、中性原子におけるサイクロトロン運動を観測可能にする。
• 干渉縞と重心波パッケットの運動を用いて、有効磁場の検出可能なシグネチャーを提案すること。

提案手法

• 光格子ポテンシャルの低周波数周期的変調を用いて、格子サイト間の光子補助トンネルを誘発する。
• 駆動場を設計し、原子が閉ループを通過する際に位相シフトを獲得するようにし、磁束に類似した効果を再現する。
• 動的トンネルメカニズムを活用して、一様な人工磁場に相当するゲージポテンシャルを生成する。
• 原子波動関数の干渉縞を用いて、有効磁場の存在と大きさを検出する。
• 波パッケットの重心運動を解析し、磁場中での荷電粒子に類似したサイクロトロン的軌道を観測する。
• ラマンレーザーを使用しないことで、散乱放出と原子損失を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低周波数の周期的駆動が、ラマンレーザーを必要とせずに中性原子に有効磁場を生成できるか？
• RQ2 誘導された人工磁場が2次元格子内の原子波パッケットの重心運動に与える影響は何か？
• RQ3 有効磁束に起因する位相の蓄積によって生じる測定可能な干渉縞はどのようなものか？
• RQ4 この手法は、ラマンレーザーに基づく手法に内在する散乱放出問題をどの程度回避できるか？

主な発見

• 提案手法により、周期的駆動下での光子補助トンネル効果によって有効磁場が生成され、中性原子におけるサイクロトロン的運動が実現された。
• 重心波パッケットの運動は、磁場中での荷電粒子に類似した軌道を示し、有効ローレンツ力の存在を確認した。
• 原子波動関数の干渉縞は、有効磁束の存在を直接示すシグネチャーを提供し、実験的検出を可能にした。
• ラマンレーザーを避けることで、原子損失の主因である散乱放出が排除され、従来の手法で約2秒に制限されていた寿命の問題が解消された。
• 駆動周波数と振幅を調整することで、プラケット当たりの有効磁束を制御可能であり、人工磁場をチューニング可能である。