[論文レビュー] Lattice-induced rapid formation of spin singlets in spin-1 spinor condensates

Lichao Zhao, Tao Tang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2018

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

ひとこと要約

本研究では、立方格子光学格子とスピン1スピンオアスルBose-Einstein凝縮体を組み合わせることで、厳密な実験的制約を緩和し、急速かつ断熱的でない方法でスピンsinglet（全スピンがゼロで、高いたんがん状態）を形成できることを示した。マイクロ波ドレッシングと格子に起因する相互作用の増幅により、1次相転移に伴いスピンsingletを形成する原子の割合が約80%に達する。これは、スピン分布と回転測定を用いた実験的確認であり、調整可能なパラメータのない現象論的モデルがデータと一致することを裏付けた。

ABSTRACT

We experimentally demonstrate that combining a cubic optical lattice with a spinor Bose-Einstein condensate substantially relaxes three strict constraints and brings spin singlets of ultracold spin-1 atoms into experimentally accessible regions. About 80 percent of atoms in the lattice-confined spin-1 spinor condensate are found to form spin singlets, immediately after the atoms cross first-order superfluid to Mott-insulator phase transitions in a microwave dressing field. A phenomenological model is also introduced to well describe our observations without adjustable parameters.

研究の動機と目的

• 超低温スピン1原子におけるスピンsinglet形成を制限する厳しい実験的制約（ゼロの二次ゼーマンエネルギーとゼロの磁化を要請する）を克服すること。
• 立方格子が原子間相互作用を強化し、局所的原子数を減少させることを活用して、スピンオアスルBose-Einstein凝縮体において、急速かつ断熱的でない方法でスピンsingletを生成すること。
• 格子ラムプシーケンスにより原子が偶数占有状態のMottリブに再分配されることで、実験的に実現可能な領域でスピンsingletに到達できることを実験的に示すこと。
• スピン分布の測定と共鳴RFパルス下でのスピン回転対称性の両方の独立した検出法を用いて、スピンsingletの形成を検証すること。
• 調整可能なパラメータのない現象論的モデルを構築し、観測されたスピンsinglet分率を検証すること。

提案手法

• 実験は、1.2×10⁵個のナトリウム原子を用いたスピン1スピンオアスルBose-Einstein凝縮体（縦方向偏光（LP）または横方向偏光（TP）状態）を、立方格子に導入し、1次相転移による超流動〜Mott絶縁体（SF-MI）転移を誘発する。
• 格子は局所的相互作用を強化し、平均して1サイトあたりの原子数を5桁低下させることで、従来のパrameter制約によりアクセス不可能であった領域でもスピンsingletの形成を可能にする。
• 原子が偶数占有Mottリブ（n=2,4,6）に再分配されることを考慮した現象論的モデルを構築し、スピンsinglet分率を記述する。このモデルは、式(3)で表され、異なるリブにおけるスピン分布の重み付き平均を含む。
• スピンsingletの形成は、m_F=0状態の分率ρ₀の測定と、x軸周りのπ/2スピン回転に対する不変性を測定することでプローブされる。これはスピンsingletに特徴的な回転対称性を示す。
• モデルの妥当性は、ρ₀の実験的測定値（スピン回転有無）との比較により検証され、さまざまな二次ゼーマンエネルギー（q）の値で良好な一致を示した。
• 測定されたρ₀値を用いた基準法により、スピンsinglet分率f_ssが抽出され、スピンsingletを形成する原子の割合を定量的に評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学格子とスピンオアスルBECを組み合わせることで、超低温スピン1原子におけるスピンsingletの形成を、急速かつ断熱的でない方法で達成できるか？
• RQ2 格子に起因する相互作用の増幅と局所的原子数の低減により、スピンsinglet形成に必要な二次ゼーマンエネルギーと磁化の厳密な制約がどの程度緩和されるか？
• RQ3 1次SF-MI相転移直後に、格子に閉じ込められたスピン1スピンオアスル凝縮体において、何パーセントの原子がスピンsingletを形成するか？
• RQ4 偶数占有Mottリブにおける原子再分配に基づく現象論的モデルが、調整可能なパラメータなしで観測されたスピン分布および回転対称性データを定量的に説明できるか？
• RQ5 スピン分布の均一性や回転対称性といった実験的シグナルが、格子に閉じ込められた系におけるスピンsingletの存在をどのように確認できるか？

主な発見

• 格子に閉じ込められたスピン1スピンオアスル凝縮体において、1次超流動〜Mott絶縁体相転移を経た直後に約80%の原子がスピンsingletを形成することが、スピン分布とスピン回転対称性の両方の測定により確認された。
• 二次ゼーマンエネルギーが-4 Hz ≤ q/h ≤ 0 Hzの範囲にある場合、スピンsinglet分率f_ssは約80%に達し、ゼロ磁場近傍で高精度な形成が可能であることが示された。
• 偶数占有Mottリブ（n=2,4,6）への原子再分配を考慮した式(3)の現象論的モデルは、調整可能なパラメータなしで測定されたスピン分布ρ₀を正確に予測した。
• モデルの予測は、スピン回転の有無にかかわらず実験データと一致し、q=0付近で両データセットがρ₀ ≈ 1/3に収束するため、回転対称性とスピンsingletの性質が確認された。
• スピンsinglet分率の最大値は約90%に制限されており、これは約10%の原子がスピンsingletを形成できないn=1 Mottリブに残存しているためである。
• 本結果は、光学格子がスピンオアスル系におけるスピンsinglet状態への迅速かつ断熱的でないアクセスを可能にし、従来のパrameter空間と準備時間の制約を克服できることを示した。