[論文レビュー] Finite-range interacting Ising quantum magnets with Rydberg atoms in optical lattices - From Rydberg superatoms to crystallization

Peter Schauß|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2017

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 168被引用数 18

ひとこと要約

この論文は、光格子内のルイジウム原子を用いた有限範囲相互作用を有するイジング量子スピン模型の実現をレビューし、$1/r^6$ ベンデルワールス力による調整可能な長距離相互作用を示している。超原子領域—ブロッキングにより1つの励起状態しか存在しない—から、サイト分解能を有する観測と制御可能な横方向および縦方向の磁場を用いて、より大きな系におけるスピン結晶化の観測に至るまでの実験的進展を詳述している。

ABSTRACT

Finite-range interacting spin models are the simplest models to study the effect of beyond nearest-neighbour interactions and access new effects caused by the range of the interactions. Recent experiments have reached the regime of dominant interactions in Ising quantum magnets via optical coupling of trapped neutral atoms to Rydberg states. This approach allows for the tunability of all relevant terms in an Ising Hamiltonian with $1/r^6$ interactions in a transverse and longitudinal field. This review summarizes the recent progress of these implementations in Rydberg lattices with site-resolved detection. The strong correlations in this quantum Ising model have been observed in several experiments up to the point of crystallization. In systems with a diameter small compared to the Rydberg blockade radius, the number of excitations is maximally one in the so-called superatom regime.

研究の動機と目的

• 光格子内のルイジウム原子を用いて、近接相互作用を超える有限範囲相互作用を有するスピン模型を検討すること。
• ブロッキングにより1つのルイジウム励起状態しか許されない超原子領域から、多数体相関状態への遷移を調査すること。
• サイト分解能を有するイメージングを用いて、有限範囲相互作用スピン系における量子結晶化の観測と特徴付けを行うこと。
• ルイジウム状態の結合を用いて、制御可能な横方向および縦方向の磁場を有する調整可能なイジングハミルトニアンを実現すること。
• ルイジウムドレッシング技術を用いて、超固体やガラス的状態などの異常な量子相への量子シミュレーションを拡張すること。

提案手法

• 近共振レーザー結合を用いてルイジウム状態に起因するハミルトニアンを有効スピン1/2イジング模型に写像する。
• ルイジウム励起原子間のファンデルワールス双極子-双極子結合により、調整可能な $1/r^6$ 相互作用を実現する。
• サイト分解能を有するイメージングを用いて、個々のスピン配置を検出するとともに、1サイト分解能で空間相関関数を測定する。
• ラビ周波数による横方向磁場と外部磁場による縦方向磁場を制御することで、イジングハミルトニアンのパラメータを調整する。
• 非共鳴結合によるルイジウムドレッシングを適用し、長寿命の有効相互作用をエンジニアリングし、格子内での原子運動を可能にする。
• 原子運動を無視する「凍結ルイジウムガス近似」を用い、強い相互作用領域における内部スピンダイナミクスに焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 調整可能な相互作用範囲を有するルイジウムドレッシング原子系における、イジング模型の有限範囲相互作用はどのように現れるか？
• RQ2 長距離相互作用を有する有限ルイジウム系における、量子結晶化の兆候は何か？
• RQ3 系サイズがルイジウムブロッキング半径より小さい場合、超原子領域はどのようにして出現するか？
• RQ4 ルイジウムドレッシングは、超固体やクラスターリュッターグ・リューティング液体といった異常な量子相の実現を可能にするか？
• RQ5 ルイジウム原子を用いた長距離相互作用スピン系における、コherenecと制御の実験的限界は何か？

主な発見

• 超原子領域は、系の直径がルイジウムブロッキング半径より小さい場合に達成され、励起状態の数が1つに制限される。
• より大きな系では、ルイジウムドレッシング光格子におけるサイト分解能を有する観測により、強い相関とスピン結晶化が実験的に観測された。
• 横方向および縦方向の磁場をレーザー結合により完全に調整可能な $1/r^6$ 相互作用を有する有限範囲イジング模型が実現された。
• サイト分解能を有するイメージングにより、空間スピン相関関数の直接測定が可能となり、秩序状態の出現が確認された。
• ルイジウムドレッシングは、少数体および多数体系において実験的に実証され、より長い有効寿命と新しい相互作用領域へのアクセスが可能になった。
• 超固体ドロップレット結晶やガラス的状態といった理論的提案された異常な相は、その実現に向けた実験的進展により支持された。