[論文レビュー] Quantum gas microscopy of a geometrically frustrated Hubbard system

Jirayu Mongkolkiattichai, Liyu Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2022

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 52被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、幾何的フラストレーションを示す Hubbard系を実現した最初のサイト分解能観測が、三角格子光学格子におけるフェルミ粒子系のモット絶縁体で達成された。量子ガス顕微鏡を用いて、単一原子および単一サイトの分解能を達成し、すべての最近隣接ペアにおける反強磁性スピンスピン相関を直接測定した。これにより、熱力学的温度測定が可能となり、幾何的フラストレーションを持つ量子系における量子スピン液体や特異な磁性の未踏の実験的探査が可能になった。

ABSTRACT

Geometrically frustrated many-particle quantum systems are notoriously hard to study numerically but are of profound interest because of their unusual properties and emergent phenomena. In these systems energetic constraints cannot be minimized simultaneously, leading to large ground-state degeneracy and a variety of exotic quantum phases. Here, we present a platform that enables unprecedentedly detailed experimental exploration of geometrically frustrated electronic systems on lattices with triangular geometry. We demonstrate the first realization of triangular atomic Hubbard systems, directly image Mott insulators in the triangular geometry with single-atom and single-site resolution, and measure antiferromagnetic spin-spin correlations for all nearest neighbors allowing for thermometry. This platform provides a powerful new approach for studying exotic quantum magnetism and direct detection of quantum spin liquid signatures in Hubbard systems.

研究の動機と目的

• 超低温原子系における幾何的フラストレーションを持つ量子系の実現と実験的プローブ。
• 量子ガス顕微鏡を三角格子に拡張し、非正方形格子幾何における単一サイト分解能を実現。
• 高い空間分解能および粒子数分解能を用いて、三角ハバード系におけるモット絶縁体相の直接イメージング。
• フラストレーションを持つ格子系において、すべての最近隣接ペア間の反強磁性スピンスピン相関の測定。
• トラップされた光学格子内の強い相関フェルミ粒子系における、スピン相関と密度分布に基づく温度測定技術の開発と応用。

提案手法

• 3本の円偏光1064 nmレーザー光ビームの干渉を用いた2次元三角格子光学格子の実現。
• 1次元アコーディオン格子（532 nm）を用いて、超低温フェルミ粒子系の2次元閉じ込めを達成。
• 単一サイト分解能の蛍光イメージングを実現するための高数値孔径のレンズを用いる。
• ビームパス制御により格子定数を可変化させ、トンネル項と相互作用パラメータを調整。
• スピン相関と熱力学的性質のシミュレーションに、数値連鎖クラスターエクスパンション（NLCE）と確定的量子モンテカルロ法（DQMC）を適用。
• 実験データから温度と化学ポテンシャルを抽出するため、局所密度近似（LDA）と径方向相関プロファイルフィッティングを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミ粒子系のモット絶縁体が、三角格子光学格子で単一サイト分解能で直接イメージング可能か？
• RQ2 幾何的フラストレーションを持つハバード系において、反強磁性スピンスピン相関の性質と空間的分布は何か？
• RQ3 粒子・ホール対称性が破れた強い相関系において、温度を信頼性高く抽出する方法は何か？
• RQ4 実験的スピン相関が、三角ハバード模型のDQMCおよびNLCE理論予測とどの程度一致するか？
• RQ5 幾何的フラストレーションの存在下で、系が量子スピン液体の特徴を示す可能性はあるか？

主な発見

• 単一原子および単一サイト分解能を達成した、最初の三角フェルミ＝ハバード系の実験的実現が達成された。
• サイト分解能イメージングにより、$U/t = 10(1)$（109原子）および$U/t = 26(3)$（203原子）でモット絶縁体の形成が確認された。
• すべての最近隣接ペア間で反強磁性スピンスピン相関が測定され、相関強度は$-0.0058(1- heta_h)$と評価され、理論予測と整合的であった。
• 径方向スピン相関プロファイルと中心部スピン相関の両方を用いた温度測定が成功し、一貫性のある温度推定が得られた。
• 半フィルイン状態で金属的から絶縁的挙動への明確な転移が観測され、二重占有率が抑制され、密度分散はゼロに近づいた。
• 数値シミュレーション（DQMCおよびNLCE）により実験観測の妥当性が確認され、有限サイズ効果およびトレーター誤差は統計誤差より小さかった。