[論文レビュー] Microwave probes Dipole Blockade and van der Waals Forces in a Cold Rydberg Gas

R Teixeira, Carla Hermann-Avigliano+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2015

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

ひとこと要約

本研究では、超伝導原子チップ上に形成された高密度な超低温リュードブルグガスにおけるファンデルワールス相互作用エネルギー分布を、マイクロ波分光法を用いて直接測定した。その結果、反発的双極子-双極子力によって駆動される動的拡張が明らかになった。この手法により、フロッピングガス近似の破綻が示され、双極子ブロッキング領域における多数体ダイナミクスのリアルタイム観測が可能となり、相互作用スピン鎖や相転移の量子シミュレーションへの新たな道筋が示された。

ABSTRACT

We show that microwave spectroscopy of a dense Rydberg gas trapped on a superconducting atom chip in the dipole blockade regime reveals directly the dipole-dipole many-body interaction energy spectrum. We use this method to investigate the expansion of the Rydberg cloud under the effect of repulsive van der Waals forces and the breakdown of the frozen gas approximation. This study opens a promising route for quantum simulation of many-body systems and quantum information transport in chains of strongly interacting Rydberg atoms.

研究の動機と目的

• マイクロ波分光法を用いて、双極子ブロッキング領域における最大80個のリュードブルグ原子の相互作用エネルギースペクトルを直接測定すること。
• 反発的双極子-双極子相互作用によって引き起こされるリュードブルグクラウドの動的拡張を調査すること。
• 双極子ブロッキング領域におけるフロッピングガス近似の妥当性を検証すること。
• 自己組織化や動的相転移を観測するための診断ツールを開発すること。
• 強い相関を持つリュードブルグ原子を用いて、相互作用スピン鎖の高精度な量子シミュレーションを可能にすること。

提案手法

• マイクロ波分光法を用いて、双極子ブロッキング領域における最大80個のリュードブルグ原子の相互作用エネルギースペクトルをプローブする。
• 780 nmおよび480 nmのレーザーを用いた2光子ラーマン遷移により、リュードブルグ状態（60S）をコherently励起し、制御されたデチューニングを実現する。
• 超伝導原子チップが強い磁場および電場的閉じ込めを提供し、長時間にわたるリュードブルグ状態のコherence時間を実現するとともに、精密な制御を可能にする。
• 90%の効率を持つフィールドイオン化検出法により、マイクロ波プローブ後の最終的なリュードブルグ原子密度を測定する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて励起過程をモデル化し、ニュートン方程式の運動を統合して原子の拡張ダイナミクスを予測する。
• 時間分解能をもった相互作用エネルギースペクトルの測定により、100 µsの時間スケールで多数体相互作用の進化を追跡する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロ波分光法下における高密度リュードブルグガスにおいて、ファンデルワールス相互作用エネルギーの分布はどのように現れるか？
• RQ2 反発的双極子-双極子相互作用によってリュードブルグクラウドはどの程度拡張するか？また、その拡張はフロッピングガス近似にどのような影響を及えるか？
• RQ3 多数体リュードブルグ系における平均相互作用エネルギーの時間発展は何か？また、単一対モデルと比較してどう異なるか？
• RQ4 マイクロ波分光法は、相関のある多数体状態から運動エネルギー支配状態への動的遷移を解像できるか？
• RQ5 コherent励起プロセスと集団的ダイナミクスは、ブロッキング領域における観測された相互作用エネルギースペクトルにどのように影響を与えるか？

主な発見

• マイクロ波分光法により、高密度リュードブルグガスの相互作用エネルギースペクトルが直接明らかになった。スペクトルの広がりとエネルギーシフトにより、双極子ブロッキング領域が確認された。
• デチューニング1 MHzにおける1原子あたりの平均相互作用エネルギーは約50 µKに達し、初期温度500 nKを著しく上回った。
• リュードブルグクラウドは時間とともに流体的（ハイドロダイナミック的）に拡張し、相互作用エネルギーが低下し、スペクトルが狭くなる傾向を示した。
• 時間分解測定により、拡張は単一対モデルの予測よりも著しく遅く、集団的多数体ダイナミクスの存在が示された。
• 有限なリュードブルグ状態の寿命（210 µs）を含むモンテカルロモデルは、実験データと良好に一致したが、初期相互作用エネルギーはわずかに低く予測した。
• ∆ = 2 MHzにおける観測された二重ピーク構造は、外表面に存在する原子が相互作用エネルギーを変化させないことに起因し、コherentペア励起効果がモデルで完全に捉え切れていないことを示唆している。