[論文レビュー] Large-scale multilayer architecture of single-atom arrays with individual addressability

Malte Schlosser, Sascha Tichelmann+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2019

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、1本のビームによる照明下でのマイクロレンズアレイの自己像形成を用いて、マイクロレンズが生成するタロット光格子を介して、大規模な3次元マルチレイヤー構造の単原子アレイを実現した。この手法により、複数の平面にわたり個々のアトムのアドレス指定と欠険なしアレイ構築が可能になった。単一ビーム照射下でのマイクロレンズアレイの自己像形成を利用することで、追加の光学リソースを要せず、スケーラブルかつ波長に依存しない3次元格子を構築でき、ルビジウム原子の複数のタロット平面におけるトラップ、イメージング、および動的サブラティススのアドレス指定を実証した。

ABSTRACT

We report on the realization of large-scale 3D multilayer configurations of planar arrays of individual neutral atoms with immediate applications in quantum science and technology: a microlens-generated Talbot optical lattice In this novel platform, the single-beam illumination of a microlens array constitutes a structurally robust and wavelength-universal method for the realization of 3D atom arrays with favourable scaling properties due to the inherent self-imaging of the focal structure. Thus, 3D scaling comes without the requirement of extra resources. We demonstrate the trapping and imaging of individual rubidium atoms and the in-plane assembly of defect-free single-atom arrays in several Talbot planes. We present interleaved lattices with dynamic position control and parallelized sub-lattice addressing of spin states.

研究の動機と目的

• 大規模な3次元個々の中性原子アレイを構築するためのスケーラブルで構造的に頑健な手法の開発。
• マルチレイヤー原子アレイにおける個々のアドレス指定とスピン状態の動的制御の実現。
• 追加の光学リソースを必要としないことで、超低温原子系の3次元スケーリングの制限を克服すること。
• 複数のタロット平面における欠陥のない平面内アレイ構築と、並列化されたサブラティススのアドレス指定の実証。

提案手法

• 1本のビームによる照射を用いてマイクロレンズアレイがタロット光格子を生成し、焦点構造の自己像形成を可能にした。
• マイクロレンズアレイの固有の自己像形成特性を活用して、外部の位相制御を要せず周期的な3次元トラップポテンシャルを形成した。
• 1本のビーム照射により波長に依存しない特性を実現し、さまざまな原子種との互換性を確保した。
• イン・サイトイメージングを用いて、複数のタロット平面における個々の原子のトラップとアレイの忠実度を検証した。
• スピン状態の操作のための動的位置制御および並列化されたサブラティススのアドレス指定を実装した。
• マイクロレンズアレイの焦点構造の内在的スケーラビリティを活用して、スケーラブルな3次元原子アレイの形成を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1本のビームおよびマイクロレンズを用いたアプローチが、スケーラブルな3次元マルチレイヤー構造の個々の中性原子アレイを実現できるか？
• RQ2 マイクロレンズアレイの自己像形成特性が、欠陥のない3次元原子格子の形成をどのように支援するか？
• RQ3 個々の原子が複数のタロット平面にわたり、どの程度アドレス指定され、制御可能か？
• RQ4 3次元マルチレイヤー構成において、動的位置制御および並列化されたサブラティススのアドレス指定を実装できるか？

主な発見

• マイクロレンズが生成するタロット格子により、構造的に頑健な大型3次元マルチレイヤー構造のルビジウム原子アレイが実現された。
• 平面内制御を用いて、複数のタロット平面で欠陥のない単原子アレイが正常に構築された。
• 複数のタロット平面にわたり、個々の原子が安定してトラップされ、イメージングが行われ、アレイの忠実度が確認された。
• 動的位置制御が可能なインターリーブド格子が実証され、原子位置の正確な操作が可能になった。
• スピン状態の並列化されたサブラティススのアドレス指定が達成され、異なる原子サブラティススの制御が可能になった。
• マイクロレンズアレイの内在的自己像形成特性のおかげで、3次元拡張に追加の光学リソースを必要とせず、良好なスケーリング特性を示した。