[論文レビュー] Spin-Nematic Squeezing in a Quantum Gas

C. D. Hamley, Corey Gerving+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2011

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 27被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、スピン-1原子ボーズ・アインシュタイン凝縮体がスピン・ネマチックからスピン・フェルミオン的量子相転移へクエンチされた後、スピン・ネマチックのスクリーニングを実証した。標準量子限界（−10.3 ± 0.9 dBのノイズ補正後）より−8.3 ± 0.7 dBの四分位数スクリーニングを達成し、SU(3)スピン系におけるスクリーニングの最初の観測を記録した。これは、量子強化磁気測定を可能にする。

ABSTRACT

Exotic types of magnetic order and phases resulting from collective behaviour of quantum spins are an important focus of many-body physics. Nematic or quadrupolar ordering of spins is one such example [1], which breaks O(3) rotational symmetry, has no magnetic moment and is analogous to the well-known ordering of molecules in nematic phases of liquid crystals [2]. Spin nematic phases have been posited for a variety of condensed matter systems including frustrated quantum magnets [3–5], and heavyfermion [6] and iron-based superconductors [7], although they are challenging to detect directly [8]. Spin-1 atomic Bose-Einstein condensates [9– 11] provide a natural system to investigate spinnematic quantum phases with a key advantage that the nematic tensor is directly measurable. Here, we measure spin-nematic fluctuations in a spin-1 condensate following a quench through a nematic to ferromagnetic quantum phase transition and observe quadrature squeezing in the variance of the fluctuations up to −8.3 −0.7 dB (−10.3 −0.9 dB corrected for detection noise) below the standard quantum limit. Previous work in atomic squeezing has employed two-level systems exhibiting SU(2) symmetry on the Bloch sphere [12, 13], while the squeezing observed here is an example of squeezing in an SU(3) system. These results demonstrate spin-nematic dynamics in the quantum regime and could form the basis of a quantum-enhanced magnetometer.

研究の動機と目的

• 超冷却原子系におけるスピン・ネマチック量子相の研究。これは、物質系においては他の方法では困難である。
• スピン・ネマチックからスピン・フェルミオン的秩序への量子相転移を経て、ネマチック秩序のダイナミクスを調査すること。
• SU(3)スピン系における多体もつれの主要な兆候である、スピン・ネマチックテンソルフラクチュエーションにおける測定可能な量子スクリーニングを実証すること。
• 原子ガスにおけるスピン・ネマチック相関に基づく、量子強化センシングのためのプラットフォームを確立すること。

提案手法

• スピン-1ボーズ・アインシュタイン凝縮体をハイパーファイン状態の重ね合わせ状態に準備することで、ネマチック相に初期化した。
• 相互作用強度を調整して量子相転移を通過するクエンチを実行し、系をネマチックからスピン・フェルミオン的秩序へと駆動した。
• スピン共分散行列を再構成するために、複数の定量化軸における射影測定を用いてスピン・ネマチックフラクチュエーションを測定した。
• 集団スピン演算子の横方向における分散を分析し、標準量子限界と比較することで、四分位数スクリーニングを定量化した。
• 検出効率の不備を補正するためのノイズ補正技術を適用し、真の量子ノイズ低減を抽出した。
• スピン-1系のSU(3)対称性を用いて集団スピンダイナミクスを記述し、ネマチック秩序パラメータを同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子相転移を経てクエンチされた量子ガスにおいて、スピン・ネマチックフラクチュエーションを生成・測定できるか？
• RQ2 従来のSU(2)二準位系と比較して、SU(3)スピン系では四分位数スクリーニングをどの程度達成できるか？
• RQ3 測定されたスクリーニングは、系の下位のネマチック秩序と多体もつれの関係は何か？
• RQ4 観測されたスピン・ネマチックスクリーニングは、量子磁気計の感度向上に利用できるか？

主な発見

• スピン-1凝縮体のスピン・ネマチックフラクチュエーションにおいて、標準量子限界より−8.3 ± 0.7 dBの四分位数スクリーニングが観測された。
• 検出ノイズを補正した後、スクリーニングは−10.3 ± 0.9 dBに達し、標準量子限界をはるかに超える強い量子相関が示された。
• これは、従来のSU(2)フレームワークを越えて、SU(3)スピン系におけるスクリーニングの最初の実験的証明である。
• 結果は、量子領域における強い多体もつれと一貫したスピン・ネマチックダイナミクスの存在を確認した。
• 観測されたスクリーニングは、ネマチックからフェルミオン的秩序へのクエンチに続く集団的ダイナミクスに起因する。
• これらの発見は、超冷却原子ガスにおけるスピン・ネマチック秩序に基づく量子強化磁気計の開発の基盤を築いた。