[論文レビュー] Interband heating processes in a Floquet-driven optical lattice

Christoph Sträter, André Eckardt|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2016

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、周期的に変調された光格子における多光子間帯遷移を、数値シミュレーションおよびフロケ空間における解析的縮重摂動論を用いて調査している。低駆動周波数において間帯加熱が指数関数的に抑制され、閾値駆動強度を超えると急激に発生するという振るまいを示しており、これは周期的に駆動される格子系において一般的に期待されるものである。

ABSTRACT

We investigate multi-photon interband excitation processes in an optical lattice that is driven periodically in time by a modulation of the lattice depth. Assuming the system to be prepared in the lowest band, we compute the excitation spectrum numerically. Moreover, we estimate the effective coupling parameters for resonant interband excitation processes analytically, employing degenerate perturbation theory in Floquet space. We find that below a threshold driving strength, interband excitations are suppressed exponentially with respect to the inverse driving frequency. For sufficiently low frequencies, this leads to a rather sudden onset of interband heating, once the driving strength reaches the threshold. We argue that this behavior is rather generic and should also be found in lattice systems that are driven by other forms of periodic forcing. Our results are relevant for Floquet engineering, where a lattice system is driven periodically in time in order to endow it with novel properties like the emergence of a strong artificial magnetic field or a topological band structure. In this context, interband excitation processes correspond to detrimental heating.

研究の動機と目的

• 周期的に駆動される光格子における多光子間帯遷移のメカニズムを理解すること。
• 時間周期的格子系において、間帯加熱が抑制されたり増幅されたりする条件を特定すること。
• フロケ空間における解析的手法を用いて、共鳴間帯遷移の有効結合パラメータを推定すること。
• 観察された加熱行動が、さまざまな周期的駆動の形態にわたって一般化される程度を評価すること。
• フロケ工学の応用において有害な加熱を最小限に抑えるための知見を提供すること。

提案手法

• 系を最初に最低準に準備した周期的変調光格子における励起スペクトルの数値計算。
• フロケ形式における縮重摂動論を応用し、間帯遷移の有効結合パラメータを解析的に推定。
• 間帯励起率が駆動周波数および振幅に依存する様子の分析。
• 間帯励起が指数関数的に抑制される駆動強度の閾値を同定。
• 格子の深さの変調による時間周期的駆動を用い、フロケ工学の条件をシミュレート。
• 数値結果と解析的推定値の比較により、抑制メカニズムの妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周期的に駆動される光格子において、間帯励起率はどのようなくわえ周波数および振幅に依存するか？
• RQ2 フロケ空間における縮重摂動論は、間帯遷移における有効結合の推定にどのような役割を果たすか？
• RQ3 どの条件下で、駆動格子系における間帯加熱が指数関数的に抑制されるか？
• RQ4 低周波数において、なぜ間帯加熱が臨界駆動強度で急激に発生するのか？
• RQ5 観察された加熱行動は、さまざまなタイプの周期的駆動にわたってどの程度一般化可能か？

主な発見

• 臨界閾値未満では、逆駆動周波数に従って間帯励起が指数関数的に抑制される。
• 十分に低い駆動周波数においては、駆動強度が閾値を超えると、間帯加熱が急激に発生する。
• フロケ空間における縮重摂動論に基づく解析的推定は、抑制行動を正確に捉えている。
• 観察された抑制および急激な発生メカニズムは、頑健であり、さまざまな周期的駆動プロトコルにわたって一般化可能であると予想される。
• 結果は、フロケ工学された系における有害な加熱を最小限に抑えるために、駆動パラメータを制御することがいかに重要かを強調している。
• これらの発見は、超低温原子系において安定な人工ゲージ場やトポロジカルバンド構造を実現する上で直接関連している。