[論文レビュー] Magnetically generated spin-orbit coupling for ultracold atoms

Brandon Anderson, I. B. Spielman+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2013

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

ひとこと要約

本論文は、レーザーを用いずに、非一様な磁場パルスを用いることで、超低温原子系においてラシュバ型スピン軌道結合（SOC）を生成する新規な手法を提案する。この手法により、自己放射による加熱を回避できる。磁場の方向に垂直な空間勾配を持つ短時間の磁場パルスを適用することで、スピンに依存する運動量のブーストが誘発され、その時間平均がラシュバハミルトニアンに一致する。これにより、エネルギー損失のないSOCが実現され、SU(2)対称性を保った原子間相互作用が維持される。

ABSTRACT

We present a new technique for producing two- and three-dimensional Rashba-type spin-orbit couplings for ultracold atoms without involving light. The method relies on a sequence of pulsed inhomogeneous magnetic fields imprinting suitable phase gradients on the atoms. For sufficiently short pulse durations, the time-averaged Hamiltonian well approximates the Rashba Hamiltonian. Higher order corrections to the energy spectrum are calculated exactly for spin-1/2 and perturbatively for higher spins. The pulse sequence does not modify the form of rotationally symmetric atom-atom interactions. Finally, we present a straightforward implementation of this pulse sequence on an atom chip.

研究の動機と目的

• 光学的励起を用いない超低温原子系におけるラシュバ型スピン軌道結合の生成手法を開発すること。これにより、自己放射による加熱を回避できる。
• パルス状非一様磁場が時間平均ハミルトニアンを介して必要なスピン-運動量ロックを再現できることを示すこと。
• 光学ラマン系とは異なり、SU(2)対称性を保った原子間相互作用の形を維持すること。
• 既存のマイクロ波配線技術を用いた、実験的に実現可能な原子チッププラットフォームへの応用を提供すること。

提案手法

• 本手法は、線形空間勾配を持つ短時間パルス状非一様磁場を用い、原子にスピン依存の位相勾配を印ける。
• 各パルスは、原子のスピン状態に依存した運動量ブーストを適用し、ブーストの方向は磁場勾配の向きに依存する。
• スピン1/2系の場合、パルス列による時間平均ハミルトニアンがラシュバハミルトニアンに非常に良く近似され、高次補正項は厳密に計算可能である。
• 高スピン系では、補正項を摂動的に計算し、スピン1/2を超えるスケーラビリティを示している。
• 高周波磁場成分を除去するために、回転系変換と回転波近似を用いている。
• 有効な結合ベクトルを精密に制御可能な、マイクロワイヤーを用いた原子チップ実装を提案している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザー光ビームや光学的励起を用いずに、超低温原子系においてラシュバ型スピン軌道結合を生成できるか？
• RQ2 パルス状磁場勾配は、どのように時間平均ハミルトニアンを介してラシュバ型SOC項を再現するか？
• RQ3 パルスの持続時間や波形が、有効ハミルトニアンの正確さおよびエネルギー準位に与える影響は何か？
• RQ4 本手法は、光学ラマン系とは異なり、SU(2)対称性を保った原子間相互作用を維持するか？
• RQ5 本手法は、現在の実験技術を用いた既存の原子チッププラットフォームで実用的に実装可能か？

主な発見

• パルス列による時間平均ハミルトニアンは、十分に短いパルス条件下で、ラシュバ型スピン軌道結合ハミルトニアンをよく近似する。
• スピン1/2原子系では、エネルギー準位に対する高次補正項を厳密に計算し、通常の実験条件においては小さいことが判明した。
• スピン1やスピン2といった高スピン系に対しても、補正項を摂動的に計算し、スピン1/2を超えるスケーラビリティを確認した。
• SU(2)対称性を保った原子間相互作用の形がそのままであり、多体基底状態の対称性が維持される。
• k_eff ≈ 1 μm⁻¹ の有効運動量スケールを実現する現実的な原子チップ実装を提案した。これは光学的実装と同等のスケールである。
• 自己放射を回避でき、既存のマイクロ波ベースの原子チップ技術と相性が良く、現在のハードウェアで実験的実現が可能である。