[論文レビュー] Probing site-resolved correlations in a spin system of ultracold molecules

Lysander Christakis, Jason S. Rosenberg+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2022

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

ひとこと要約

本研究では、超低温23Na87Rb分子の二次元光学格子において、量子ガス顕微鏡を用いて量子相関のサイト分解能測定を実現した。スピン1/2自由度を回転状態に符号化し、双極子相互作用を設計することで、等方的および異方的スピン模型における熱化過程でのスピン相関の時間発展をリアルタイムで観測した。単一サイト検出の高精度を達成し、単一の振幅スケーリング係数を用いて理論的予測を検証した。

ABSTRACT

Synthetic quantum systems with interacting constituents play an important role in quantum information processing and in elucidating fundamental phenomena in many-body physics. Following impressive advances in cooling and trapping techniques, ensembles of ultracold polar molecules have emerged as a promising synthetic system that combines several advantageous properties. These include a large set of internal states for encoding quantum information, long nuclear and rotational coherence times and long-range, anisotropic interactions. The latter are expected to allow the exploration of intriguing phases of correlated quantum matter, such as topological superfluids, quantum spin liquids, fractional Chern insulators and quantum magnets. Probing correlations in these phases is crucial to understand their microscopic properties, necessitating the development of new experimental techniques. Here we use quantum gas microscopy to measure the site-resolved dynamics of quantum correlations in a gas of polar molecules in a two-dimensional optical lattice. Using two rotational states of the molecules, we realize a spin-1/2 system where the particles are coupled via dipolar interactions, producing a quantum spin-exchange model. Starting with the synthetic spin system prepared far from equilibrium, we study the evolution of correlations during the thermalization process for both spatially isotropic and anisotropic interactions. Furthermore, we study the correlation dynamics in a spin-anisotropic Heisenberg model engineered from the native spin-exchange model using Floquet techniques. These experiments push the frontier of probing and controlling interacting systems of ultracold molecules, with prospects for exploring new regimes of quantum matter and characterizing entangled states useful for quantum computation and metrology.

研究の動機と目的

• 超低温極性分子の合成スピン系において、サイト分解能を有するリアルタイム量子相関ダイナミクスを調べること。
• 長距離相互作用を有するスピン系における熱化を、等方的および異方的双極子相互作用を含めて研究すること。
• 自然なスピン交換相互作用を用いてFloquet工学によりスピン異方性ヘイゼンベルグ模型を実装・検証すること。
• 今後の量子シミュレーションおよび計算のため、密な強相関分子量子ガスにおける高精度な単一分子検出を可能にすること。

提案手法

• 高NAレンズを備えた量子ガス顕微鏡により、2次元光学格子内での単一分子蛍光像像が得られた。
• 23Na87Rb分子の2つの回転状態を用いてスピン1/2自由度を符号化し、長距離双極子相互作用を有する合成スピン系を構築した。
• 往復STIRAPを用いて、Feshbach分子から振動・回転基底状態への高精度な遷移を実現した。
• 系を非平衡状態に初期化し、時間分解能を有するサイト分解能相関関数を、量子平均および不純度平均をとった密度-密度相関関数により測定した。
• 理論的シミュレーションでは、周期的境界条件を適用した有限格子上でのXYおよびXXZハミルトニアンの正確対角化を用いた。
• 相関関数は、実験の径方向密度プロファイルに一致させるために、局所密度が異なる格子パッチの密度加重平均をとった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超低温分子の双極子スピン系における熱化過程で、量子相関はどのようにリアルタイムに進化するか？
• RQ2 スピン異方性および長距離相互作用は、サイト分解能相関ダイナミクスにどのような兆候を示すか？
• RQ3 Floquet工学により、自然なスピン交換相互作用を、調整可能な異方性を持つヘイゼンベルグ型モデルにどの程度効果的に変換できるか？
• RQ4 現実的な長距離相互作用および不均一密度プロファイルを考慮した理論モデルは、実験的相関データをどの程度よく再現できるか？

主な発見

• 本実験では、超低温分子の2次元格子において、高い忠実度と空間分解能を有するスピン相関のサイト分解能検出を達成した。
• 等方的および異方的スピン模型における測定相関ダイナミクスは、理論的シミュレーションと良好に一致し、単一の振幅スケーリング係数（1.20(4) ～ 1.27(7)）を用いて説明された。
• 相関関数には明確な長距離双極子相互作用の兆候が現れ、空間的減衰が理論的予測と整合的であった。
• Floquet工学により実装されたスピン異方性ヘイゼンベルグ模型は、実験データにおける期待される異方的相関パターンをうまく再現した。
• 理論的シミュレーションでは、密度加重確率を用いたパッチサンプリングにより不均一密度を考慮し、実験データとの一致を向上させた。
• 振幅スケーリング係数は単位からわずかにずれており（例：図4f-hでは0.48(3)）、密度プロファイルのモデル化の不正確さや、データ収集中の遅い原子数ドリフトが原因とされる。