[論文レビュー] Observation of the Sign Reversal of the Magnetic Correlation in a Driven-Dissipative Fermi Gas in Double Wells

Kantaro Honda, Shintaro Taie+4 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、光格子の二重井戸構造内における駆動・散逸的超低温フェルミガスにおいて、光起因の2体局所的消失を用いた制御により、磁気相関の符号反転（反強磁性から強磁性へ）を実証した。観測された強磁性スピン相関は、長時間にわたるディッケ型多体状態の形成と整合的であり、散逸をオープンな量子系における量子スピン系の設計ツールとしての可能性を示している。

ABSTRACT

We report the observation of the sign reversal of the magnetic correlation from antiferromagnetic to ferromagnetic in a dissipative Fermi gas in double wells, utilizing the dissipation caused by on-site two-body losses in a controlled manner. We systematically measure dynamics of the nearest-neighbor spin correlation in an isolated double-well optical lattice, as well as a crossover from an isolated double-well lattice to a one-dimensional uniform lattice. In a wide range of lattice configurations over an isolated double-well lattice, we observe a ferromagnetic spin correlation, which is consistent with a Dicke type of correlation expected in the long-time limit. This work demonstrates the control of quantum magnetism in open quantum systems with dissipation.

研究の動機と目的

• エンジニアリングされた散逸がフェルミガスにおける磁気相関の符号反転に果たす役割を調査すること。
• 局所的2体消失を伴う駆動・散逸的フェルミ＝ハubbard系を実験的に実現・制御すること。
• スピン相関測定を用いて、オープンな量子系におけるディッケ型相関の出現を調べること。
• 制御された散逸のもとで、孤立した二重井戸から1次元均一格子への遷移を体系的に研究すること。
• 従来は間接的かつ推測的にしか得られていなかった、散逸系における強磁性スピン相関の直接的実験的証明を提供すること。

提案手法

• 実験では、調節可能な光スーパーラティスに閉じ込められた6成分の縮退フェルミガス 173Yb を用い、ダイマー化された格子および1次元均一格子を実現した。
• 局所的2体消失は、光起因（PA）レーザーを用いて誘発され、スピン singlet 态のペアが選択的に除去されることで、スピン相関が変化する。
• 最近接スピン相関の時間発展は、時間飛行（STO）イメージングを用いたスピンエコー技術により測定され、相関振幅が抽出された。
• 系のモデルは、Lindbladマスター方程式を用いた散逸的フェルミ＝ハubbardハミルトニアンで記述され、2体消失を記述する演算子 $ \hat{L}_{j\sigma\sigma'} = \sqrt{2\gamma} \hat{c}_{j\sigma} \hat{c}_{j\sigma'} $ が導入された。
• 散逸強度は、PAレーザーの強度と照射時間を調整することで制御可能であり、散逸の強度を体系的に変化させられた。
• 孤立した二重井戸から1次元格子への遷移は、長波長格子の深さを調整することで実現され、ダイマー間トンネルの制御が可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エンジニアリングされた散逸が、フェルミガスにおける磁気相関の符号反転（反強磁性から強磁性へ）を誘発できるか？
• RQ2 局所的2体消失の存在が、格子内でのディッケ型エンタングル状態の形成にどの程度寄与するか？
• RQ3 強磁性スピン相関の出現は、格子の幾何学的構造と散逸強度にどのように依存するか？
• RQ4 制御された散逸のもとで、1次元均一格子内に強磁性スピン相関が観測可能か？
• RQ5 スピン相関の時間発展を用いることで、オープンな量子系における長寿命のディッケ状態の形成を推定できるか？

主な発見

• 孤立した二重井戸格子では、正規化されたSTO振幅 $ A $ が $ -0.042(5) $ に達し、反強磁性から強磁性への明確な符号反転が示された。
• 観測された強磁性相関は、理論的モデルが予測するディッケ型状態の長時間極限と整合的である。
• $ s_{\text{long}}^{(z)} = 0 $ の1次元均一格子では、STO振幅は $ A = -0.010(6) $ であり、負値であり統計的に有意で、強磁性秩序の確認が得られた。
• より深い長波長格子を持つ1次元均一格子では、$ A = -0.023(5) $ となり、強磁性相関の持続性がさらに裏付けられた。
• 低長波長格子深さにおける強磁性相関の抑制は、PA照射中にダイマー間トンネルが発生するためであり、これは消失誘起相関形成と競合する。
• ダイマー間トンネル率 $ 2t_{\text{PA}}t/\hbar $ に対するスピン相関の測定依存性は、理論的予測と定性的に一致しており、トンネルと散逸の競合が制御可能であることを示している。