[論文レビュー] Experimental realization of strong effective magnetic fields in an optical lattice

Monika Aidelsburger, Marcos Atala+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2011

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、ラマン支援トンネルを用いた2次元光格子において、強力な有効磁場の実験的実現を示した。これにより、各プラケットあたり±π/2のステアッタードアハロノフ＝ボーム位相が誘導された。この系は時間反転対称性の破れ、断片的フラストレーションに起因する基底状態の degeneracy を示し、単一原子における量子サイクロトロン運動の直接観測に成功した。有効磁束はプラケットあたり1量子磁束に近い値に達した。

ABSTRACT

We use Raman-assisted tunneling in an optical superlattice to generate large tunable effective magnetic fields for ultracold atoms. When hopping in the lattice, the accumulated phase shift by an atom is equivalent to the Aharonov-Bohm phase of a charged particle exposed to a staggered magnetic field of large magnitude, on the order of one flux quantum per plaquette. We study the ground state of this system and observe that the frustration induced by the magnetic field can lead to a degenerate ground state for non-interacting particles. We provide a measurement of the local phase acquired from Raman-induced tunneling, demonstrating time-reversal symmetry breaking of the underlying Hamiltonian. Furthermore, the quantum cyclotron orbit of single atoms in the lattice exposed to the magnetic field is directly revealed.

研究の動機と目的

• 外部磁場を用いずに、超低温原子系において強力な有効磁場を実現すること。
• クリーンで調整可能な光格子プラットフォームを用いて整数量子ホール効果を模擬すること。
• プラケットあたり1量子磁束に近い有効磁束を達成し、強い電子相関が働く量子相にアクセスすること。
• 断片的フラストレーションによって誘導される時間反転対称性の破れと基底状態の degeneracy を非相互作用系で観測すること。
• 有効磁場下での単一原子の量子サイクロトロン軌道を直接像として観測すること。

提案手法

• ラマンレーザーが格子サイト間のトンネルを、空間的に変化する位相を伴って誘導し、有効ゲージポテンシャルを生成する。
• ラマン結合位相は exp(±iδk·R) のように変化し、4サイトのプラケットあたり±π/2のステアッタード磁束を生成する。
• 複素数の遷移幅 K exp(±iδk·R) を持つタイトビンディングハミルトニアンで記述され、一様な有効磁場を模倣する。
• 時間飛行拡張とサイト解像度の検出を用いて、運動量分布と局所的位相情報を測定する。
• サイクロトロン運動と位相蓄積を研究するため、単一原子を孤立したプラケットに準備する。
• 時間飛行後の干渉パターンから位相を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性原子系において、量子ホール効果に類似した物理現象を誘発するのに十分な強力な有効磁場を実現できるか？
• RQ2 誘導された有効ゲージポテンシャルが、トンネル過程における位相蓄積によって示されるように、時間反転対称性を破るか？
• RQ3 ステアッタードフラックスによって生じる断片的フラストレーションによって、非相互作用系でも基底状態の degeneracy が出現するか？
• RQ4 このような格子において、単一原子の量子サイクロトロン運動を直接観測できるか？
• RQ5 2次元光格子におけるラマン支援トンネルを用いた場合、プラケットあたりの最大有効磁束はどの程度達成可能か？

主な発見

• 実験では、プラケットあたり±π/2の有効磁束を達成した。これは、プラケットあたり約1量子磁束に相当し、強力な有効磁場の実現を示した。
• 運動量分布に J/K > √2 の領域で分裂ピーク構造が観測され、フラストレーションに起因する基底状態の degeneracy が顕在化した。
• ラマン支援トンネル過程で蓄積された局所的位相の直接測定により、ハミルトニアンの時間反転対称性の破れが確認された。
• 孤立したプラケット内での単一原子の量子サイクロトロン軌道が直接観測され、有効磁場下での運動の正しさが裏付けられた。
• ステアッタードフラックスパターンに起因するフラストレーションにより、非相互作用粒子の系においてもデジェネレートな基底状態が出現した。
• 孤立した二重井戦で観測されたトンネル振動を用いて、ラマン誘起トンネル結合定数 K を独立に測定し、位相工学スキームの妥当性を確認した。