[論文レビュー] Quantum Simulation of an Antiferromagnetic Spin Chain in an Optical Lattice

Jonathan Simon, Waseem Bakr+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2011

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、縮退ボーズガスを用いた光学格子内における反強磁性スピン鎖の量子シミュレーションを実現した。サイト占有数を擬スピンにマッピングすることで、調整可能なイジング相互作用を実現した。外部場を変化させることで、系は磁気的パラメグネティック相から反強磁性相への量子相転移を経験し、時間空間分解能を有するイメージングとノイズ相関測定により磁気ドメインが観測された。本研究は、超低温原子を用いた量子スピン系の研究基盤を確立した。

ABSTRACT

Understanding exotic forms of magnetism in quantum mechanical systems is a central goal of modern condensed matter physics, with implications from high temperature superconductors to spintronic devices. Simulating magnetic materials in the vicinity of a quantum phase transition is computationally intractable on classical computers due to the extreme complexity arising from quantum entanglement between the constituent magnetic spins. Here we employ a degenerate Bose gas confined in an optical lattice to simulate a chain of interacting quantum Ising spins as they undergo a phase transition. Strong spin interactions are achieved through a site-occupation to pseudo-spin mapping. As we vary an applied field, quantum fluctuations drive a phase transition from a paramagnetic phase into an antiferromagnetic phase. In the paramagnetic phase the interaction between the spins is overwhelmed by the applied field which aligns the spins. In the antiferromagnetic phase the interaction dominates and produces staggered magnetic ordering. Magnetic domain formation is observed through both in-situ site-resolved imaging and noise correlation measurements. By demonstrating a route to quantum magnetism in an optical lattice, this work should facilitate further investigations of magnetic models using ultracold atoms, improving our understanding of real magnetic materials.

研究の動機と目的

• 量子相転移付近の強い相関を持つスピン系における量子スピン系の研究を目的とする。
• 古典的手法では計算不能となるもつれ状態を示す量子スピン系のシミュレーションを克服することを目的とする。
• 制御可能な相互作用と外部場を用いた光学格子内における調整可能な量子イジングスピン鎖の実現を目的とする。
• 制御された超低温原子系において反強磁性秩序と磁気ドメイン形成の出現を観測することを目的とする。
• 複雑な磁性材料をシミュレートするためのスケーラブルなプラットフォームを提供することを目的とする。

提案手法

• 一次元光学格子に縮退ボーズガスを導入し、サイト占有自由度を持つ系を構築する。
• 制御されたトンネル過程と相互作用を介してサイト占有数を擬スピンにマッピングし、量子イジングスピンを模擬する。
• 外部場を調整することで、パラメグネティック相と反強磁性相の間の量子相転移を駆動する。
• 時間空間分解能を有するサイト分解能イメージングを用いて、スピン配置と磁気ドメインを直接観測する。
• ノイズ相関測定を用いてスピン相関を調べ、反強磁性秩序を確認する。
• スピン相互作用が外部場よりも支配的となる領域に系を準備する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制御された超低温原子系において、パラメグネティック相から反強磁性秩序への量子相転移はどのように現れるか？
• RQ2 調整可能な相互作用を有する一次元量子スピン鎖において、磁気ドメイン形成を実験的に観測できるか？
• RQ3 スピン相互作用と外部場をどれほどまでに調整可能にできるか、格子上における量子イジング模型のシミュレーションにどの程度寄与できるか？
• RQ4 ノイズ相関測定は、系内に反強磁性秩序が存在する場合にどのように反映されるか？
• RQ5 この系において、長距離磁性秩序の出現に量子もつれが果たす役割は何か？

主な発見

• 系は、外部場によってスピンが整列するパラメグネティック相から、スピン相互作用が支配的となる反強磁性相への明確な量子相転移を経験した。
• 時間空間分解能イメージングを用いた直接観測により、反強磁性秩序の形成が確認された。
• ノイズ相関測定により、秩序相における反強磁性スピン相関の定量的証拠が得られた。
• サイト占有数による擬スピンマッピングにより、光学格子内での強い、調整可能なイジング型スピン相互作用が実現された。
• 実験的実現により、超低温原子系における量子スピン系のスケーラブルなシミュレーションルートが示された。
• 本結果は、超低温原子を用いた光学格子が、量子相転移や特異な磁性の研究に有効なプラットフォームであることを裏付けた。