[論文レビュー] Dipolar quantum solids emerging in a Hubbard quantum simulator

Lin Su, Alexander Douglas+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 73被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、調整可能な長距離ダイポール相互作用を有する超低温磁性イットリウム原子を用いたハーバード量子シミュレータにおいて、ダイポール量子固体の出現を実証した。外部磁場を用いて異方的ダイポール相互作用を設計し、量子ガス顕微鏡を用いることで、超流動からストライプ秩序およびチェッカーボード秩序を示すさまざまな固体への量子相転移を直接観測した。これは、力学的不安定状態や自発的対称性の破れを含み、長距離および異方的相互作用を有する強い相関する量子物質をシミュレートするためのプラットフォームを確立するものである。

ABSTRACT

In quantum mechanical many-body systems, long-range and anisotropic interactions promote rich spatial structure and can lead to quantum frustration, giving rise to a wealth of complex, strongly correlated quantum phases. Long-range interactions play an important role in nature; however, quantum simulations of lattice systems have largely not been able to realize such interactions. A wide range of efforts are underway to explore long-range interacting lattice systems using polar molecules, Rydberg atoms, optical cavities, and magnetic atoms. Here, we realize novel quantum phases in a strongly correlated lattice system with long-range dipolar interactions using ultracold magnetic erbium atoms. As we tune the dipolar interaction to be the dominant energy scale in our system, we observe quantum phase transitions from a superfluid into dipolar quantum solids, which we directly detect using quantum gas microscopy with accordion lattices. Controlling the interaction anisotropy by orienting the dipoles enables us to realize a variety of stripe ordered states. Furthermore, by transitioning non-adiabatically through the strongly correlated regime, we observe the emergence of a range of metastable stripe-ordered states. This work demonstrates that novel strongly correlated quantum phases can be realized using long-range dipolar interaction in optical lattices, opening the door to quantum simulations of a wide range of lattice models with long-range and anisotropic interactions.

研究の動機と目的

• 数値的シミュレーションが困難である、長距離ダイポール相互作用を有する強い相関する量子相を光学格子内で実現・研究すること。
• 従来の量子シミュレーションにおける局所的相互作用の制限を克服し、超低温磁性原子を用いて調整可能で異方的な長距離ダイポール相互作用を導入すること。
• 制御可能で調整可能な系において、サイト分解能を有するイメージングを用いて、ストライプ秩序およびチェッカーボード秩序を示す量子固体の出現を直接プローブすること。
• 超流動相とダイポール固体相の間の量子相転移、特に力学的不安定状態および対称性の破れ現象を調査すること。
• 遷移金属ジカルコゲナイドやスピンアイスなどの有限範囲で異方的な相互作用を有する複雑な量子物質をシミュレートするためのプラットフォームを確立すること。

提案手法

• 長距離ダイポール相互作用を有する拡張ボーズ＝ハーバードモデルを、光学格子内の超低温イットリウム原子を用いて実現する。
• 外部磁場を適用して磁気ダイポールを整列させ、ダイポール相互作用の異方性を調整し、相互作用の範囲および方向性を制御可能にする。
• 小間隔のリバース反射格子からの断熱的状態移行後に、アコーディオン格子を用いてサイト分解能を有する1ショットイメージングを実施する。
• 1ショット画像から密度-密度相関関数および構造因子を測定し、固体秩序の特定と相関長の定量的評価を実施する。
• 量子モンテカルロシミュレーションを用いて系の温度を推定し、実験データと比較することで、秩序状態の存在を確認する。
• ストライプ秩序の時間的安定性および自己相関を分析し、固体相における自発的対称性の破れを実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 調整可能な長距離および異方的相互作用を有するハーバード量子シミュレータにおいて、ダイポール量子固体が出現可能か？
• RQ2 異方的ダイポール相互作用が、強い相関系におけるストライプ秩序およびチェッカーボード秩序の形成にどのように寄与するか？
• RQ3 非断熱的ラムプが、力学的不安定なストライプ秩序状態の出現に果たす役割は何か？
• RQ4 ダイポール量子固体相における自発的対称性の破れは、どのように観測され、確認されるか？
• RQ5 観測されたダイポール量子固体の温度および寿命は何か？理論的予測と比較するとどうなるか？

主な発見

• 著者らは、長距離ダイポール相互作用によって安定化される半フィルインのダイポール量子固体への量子相転移を直接観測した。
• ストライプ秩序およびチェッカーボード秩序を示す固体が観測され、ストライプ固体ではx方向に2.22(5)サイト、y方向に1.21(15)サイトの相関長が観測された。チェッカーボード固体では、等方的で0.82(5)サイトの相関長が観測された。
• ストライプ固体では約1.0秒、チェッカーボード固体では0.7秒の有限な寿命を示し、現在の実験条件下での力学的不安定性を示している。
• ストライプ固体における自発的対称性の破れは、1ショット画像におけるストライプ秩序の二峰性分布および時間経過に伴う重なり値の自己相関なしにより確認された。
• 量子モンテカルロシミュレーションとの比較による温度推定では、ストライプ固体は0.8 nK、チェッカーボード固体は0.7 nKの温度であり、臨界温度は約0.5 nKであった。
• 非断熱的クエンチングにより、強い相関領域を通過する際、力学的不安定なストライプ秩序状態が出現し、非平衡量子相にアクセスする可能性が示された。