[論文レビュー] Observing spin-squeezed states under spin-exchange collisions for a second

Meng-Zi Huang, Jose Alberto de la Paz+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 41被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、ファイバー・ファブリ・ペロー共振器と測定誘発スクイージィングによって、チップ型トラップ原子時計において、超低温87Rb原子のスピンスクイーズド状態が最大0.6秒にわたり持続することを示した。主な発見は、スピン交換衝突がスピン自由度と運動自由度の間に以前に観察されていなかった相関を引き起こし、キャビティベースのスピン測定を強化し、粒子損失が生じても計測的スクイージィングを維持するフィードバック機構を明らかにしたことである。

ABSTRACT

Using the platform of a trapped-atom clock on a chip, we observe the time evolution of spin-squeezed hyperfine clock states in ultracold rubidium atoms on previously inaccessible timescales up to 1 s. The spin degree-of-freedom remains squeezed after 0.6 s, which is consistent with the limit imposed by particle loss and is compatible with typical Ramsey times in state-of-the-art microwave clocks. The results also reveal a surprising spin-exchange interaction effect that amplifies the cavity-based spin measurement via a correlation between spin and external degrees of freedom. These results open up perspectives for squeezing-enhanced atomic clocks in a metrologically relevant regime and highlight the importance of spin interactions in real-life applications of spin squeezing.

研究の動機と目的

• 原子計測に関連する時間スケール（従来の実験で一般的な10–100 msの範囲を超えて）において、超低温原子系におけるスピンスクイーズド状態の長期的進化を観測すること。
• スピン交換衝突が、延長された時間スケールにおけるスピンスクイーズド状態のダイナミクスに果たす役割を調査すること。
• キャビティを介したスピン測定の設定において、スピン自由度と外部（運動）自由度の間の相互作用を調査すること。
• 最新の原子時計におけるラマーシー測定時間と同等の時間スケールで、計測的に有用なスピンスクイージィングが維持可能かどうかを特定すること。
• キャビティ結合系における多数体系において、スピン交換相互作用から生じる予期しないフィードバック機構を同定・特徴付けること。

提案手法

• ファイバー・ファブリ・ペロー共振器を備えたチップ型トラップ原子時計プラットフォームを用い、集団スピン観測量の連続的かつ高精度な測定を実施する。
• キャビティベースの量子非破壊（QND）測定を用い、集団スピンのz成分Szに比例する周波数シフトδωによってスピンスクイーズド状態を生成する。
• 可変な遅延td（数msから1秒まで）の間、スクイージィングの確認に複合πパルスとキャビティプローブ透過測定を適用する。
• 吸収イメージングとキャビティ透過測定を併用してスピン集団の差を検証し、イメージングノイズを標準量子限界（∆(N↑−N↓) ∼100）に保つ。
• 空間的に変化する原子-キャビティ結合による非一様な位相ずれを最小限に抑えるために、プローブパルスの長さを軸方向トラップ周期（8.85 ms）に固定する。
• スピン反転1回あたりのエンsembles平均スピンシフトΩe = 2π × 16.2(3) kHzを測定し、キャビティ応答をキャリブレーションし、スクイージィングレベルを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際の計測条件下で、超低温原子系におけるスピンスクイーズド状態は、100 msを超えてどの程度持続可能か？
• RQ2 スピン交換衝突が、1秒程度の時間スケールでスピンスクイーズド状態の安定性と進化に及ぼす影響は何か？
• RQ3 キャビティを介したスピン測定において、スピン自由度と外部（運動）自由度の間に相関が生じる可能性はあり、その場合、測定感度にどのような影響を及ぼすか？
• RQ4 スピン交換相互作用が、キャビティベースのスピン読み出し信号を強化するフィードバック機構をどの程度誘発するか？
• RQ5 観測された計測的スクイージィングは、粒子損失によって引き起こされる根本的限界と整合的か、それとも他のデコherence機構が関与しているか？

主な発見

• 最大8.6 dBの計測的スクイージィングを示すスピンスクイーズド状態が0.6秒にわたり持続しており、これは粒子損失に起因するコherence時間と整合的である。
• システムは0.6秒にわたり計測的スクイージィングを維持しており、最新のマイクロ波原子時計における一般的なラマーシー測定時間と整合的である。
• スピン交換衝突によって誘発され、キャビティ相互作用によって強化されるスピン自由度と外部自由度の間の相関が、新たなフィードバック機構を形成する。
• この相関がキャビティベースのスピン測定信号を増幅し、スピン交換相互作用が測定感度を向上させる以前に観察されていなかった役割を明らかにした。
• 粒子損失を考慮した理論モデルと一致するスピンスクイージィングの進化が観測されたことから、スピン交換効果が、この時間スケールにおける主な非損失デコherenceチャネルであることが示された。
• キャビティ測定と吸収イメージングの結果が、イメージングノイズ（∼100）の範囲内で一致しており、標準量子限界に達するスピン測定プロトコルの信頼性が確認された。