[論文レビュー] Observation of metastability in an open quantum system with long-range interactions

Lorenz Hruby, Nishant Dogra+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2017

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、光格子に結合した光学キャビティを介して長距離光子媒介相互作用を有する3次元超低温87Rb気体において、モット絶縁体から密度波への遷移を引き起こすメタ安定性を観測した。グローバルな結合強度を調整することで、数千の原子を含むヒステリシスおよびアバランチ的トンネルINGが観測され、短距離相互作用と長距離相互作用の競合によるメタ安定性が確認された。

ABSTRACT

We experimentally study the stability of a bosonic Mott-insulator against the formation of a density wave induced by long-range interactions, and characterize the intrinsic dynamics between these two states. The Mott-insulator is created in a quantum degenerate gas of 87-Rubidium atoms, trapped in a three-dimensional optical lattice. The gas is located inside and globally coupled to an optical cavity. This causes interactions of global range, mediated by photons dispersively scattered between a transverse lattice and the cavity. The scattering comes with an atomic density modulation, which is measured by the photon flux leaking from the cavity. We initialize the system in a Mott-insulating state and then rapidly increase the global coupling strength. We observe that the system falls into either of two distinct final states. One is characterized by a low photon flux, signaling a Mott insulator, and the other is characterized by a high photon flux, which we associate with a density wave. Ramping the global coupling slowly, we observe a hysteresis loop between the two states - a further signature of metastability. A comparison with a theoretical model confirms that the metastability originates in the competition between short- and global-range interactions. From the increasing photon flux monitored during the switching process, we find that several thousand atoms tunnel to a neighboring site on the time scale of the single particle dynamics. We argue that a density modulation, initially forming in the compressible surface of the trapped gas, triggers an avalanche tunneling process in the Mott-insulating region.

研究の動機と目的

• 長距離相互作用の存在下でモット絶縁体の密度波形成に対する安定性を調査すること。
• オープンな量子系におけるモット絶縁体相と密度波相の間の内在的ダイナミクスを特徴づけること。
• 系におけるメタ安定性の起源を特定し、相互作用範囲および結合強度依存性を解明すること。
• 圧縮性表面層における初期密度調制によって引き起こされるトンネルINGダイナミクスを観測・定量すること。

提案手法

• 87ケイウリウム原子の量子縮退気体を3次元光格子に作成し、横方向格子散乱を介して光学キャビティに結合する。
• 光子が原子系とキャビティの間で分散的に散乱され、グローバルな範囲の長距離相互作用が媒介される。
• キャビティから漏れる光子フラックスを用いて原子密度調制をプローブし、系の状態をリアルタイムで測定する。
• グローバルな結合強度を急速またはゆっくりとスイープすることで、モット絶縁体相と密度波相の間の遷移を誘発する。
• 前後方向のスイープでヒステリシスループを測定し、系におけるメタ安定性の直接的証明を得る。
• 理論的モデリングにより、観測されたメタ安定性が局所的オンサイト反発と長距離キャビティ媒長相互作用の競合に起因することを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長距離相互作用は、モット絶縁体の不安定化および密度波への駆動に果たす役割は何か？
• RQ2 結合強度のスイープ速度が系のダイナミクスに与える影響は何か？ また、メタ安定性の兆候として何が現れるか？
• RQ3 遷移中に観測されたアバランチトンネルINGプロセスの原因は何か？
• RQ4 表面層における初期密度調制が、モット絶縁体コアにおける集団的トンネルINGをどのように引き起こすか？
• RQ5 トンネルINGプロセスに関与する時間スケールおよび原子数は定量的にどの程度か？

主な発見

• 系は2つの明確な最終状態を示す：光子フラックスが低いモット絶縁体と、光子フラックスが高い密度波。これは長距離相互作用によって駆動される相転移を示している。
• グローバルな結合強度をゆっくりスイープした際、ヒステリシスが観測され、系におけるメタ安定性の直接的証明が得られた。
• 遷移の過程で、単粒子ダイナミクスのスケールで数千の原子が隣接格子サイトにトンネルした。
• 初期の密度調制は捕獲系の圧縮性表面層に形成され、これがモット絶縁体領域におけるアバランチトンネルINGプロセスを引き起こした。
• 理論的モデリングにより、観測されたメタ安定性が局所的オンサイト反発と長距離キャビティ媒長相互作用の競合に起因することが確認された。
• スイッチング過程中の光子フラックスの時間発展は急激に増加し、集団的トンネルINGダイナミクスの発生を示している。