[論文レビュー] Synthetic dimensions in ultracold molecules: quantum strings and membranes

Bhuvanesh Sundar, Bryce Gadway+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2017

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 71被引用数 23

ひとこと要約

本論文では、超低温極性分子の回転状態を合成次元として用いることを提案し、最大で数100の合成格子サイトを実現する。マイクロ波がこれらの状態間の可変トンネルを駆動し、トポロジカルバンド構造の設計や、強い双極子相互作用下での自発的次元削減（量子ストリングや膜への）を可能にし、回転状態分布を用いた観測が可能な発現的コンデンエートを有する。

ABSTRACT

Synthetic dimensions alter one of the most fundamental properties in nature, the dimension of space. They allow, for example, a real three-dimensional system to act as effectively four-dimensional. Driven by such possibilities, synthetic dimensions have been engineered in ongoing experiments with ultracold matter. We show that rotational states of ultracold molecules can be used as synthetic dimensions extending to many - potentially hundreds of - synthetic lattice sites. Microwaves coupling rotational states drive fully controllable synthetic inter-site tunnelings, enabling, for example, topological band structures. Interactions leads to even richer behavior: when molecules are frozen in a real space lattice with uniform synthetic tunnelings, dipole interactions cause the molecules to aggregate to a narrow strip in the synthetic direction beyond a critical interaction strength, resulting in a quantum string or a membrane, with an emergent condensate that lives on this string or membrane. All these phases can be detected using measurements of rotational state populations.

研究の動機と目的

• 超低温量子系における大規模合成次元の実現を、極性分子の回転状態を用いて行う。
• マイクロ波駆動の回転状態遷移が、完全に可変な合成格子トンネルを生成できることを示す。
• 長距離双極子相互作用が、合成格子内の回転状態から量子ストリングまたは膜への自発的次元削減を引き起こす仕組みを調査する。
• これらの低次元的構造上にハードコアボソンコンデンエートが発現することを予測する。
• 回転状態分布の測定による実験的検出プロトコルを提供する。

提案手法

• 超低温極性分子の回転状態を、合成格子のサイトとして用い、最大で数100のサイトにまで拡張する。
• 制御可能な振幅、位相、周波数を持つ共鳴マイクロ波を用いて、サイト間トンネルを駆動する。
• 選択された回転マニフォールド外の遷移を抑制するため、静的な電場を適用し、有効な分離を確保する。
• 可変トンネルと局所的ポテンシャルを有する合成1粒子ハミルトニアンを用いて、系をモデル化する。
• 実空間内における分子間の長距離双極子-双極子相互作用を導入し、多体効果を誘導する。
• クラスターメンフィールド理論と自己無撞着解を用いて、超流動相を分析し、 chirality および非アーベル的イジング任意粒子的状態を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超低温極性分子の回転状態を用いて、最大で数100の格子サイトを持つ大規模な合成次元を実現できるか？
• RQ2 マイクロ波による回転状態遷移の制御が、合成トンネルおよび局所的ポテンシャルの完全な可変性を可能にするか？
• RQ3 回転状態から形成された合成格子において、双極子相互作用が強い場合にどのような多体相が出現するか？
• RQ4 この系において、双極子相互作用が原因で量子ストリングまたは膜への自発的次元削減が生じるか？
• RQ5 現在の実験で観測可能な、合成ストリングまたは膜上に発現するコンデンエートの兆候は何か？

主な発見

• 超低温極性分子の回転状態は、最大で数100の格子サイトを持つ合成次元を形成でき、大規模な合成系の実現を可能にする。
• マイクロ波駆動トンネルにより、合成1粒子ハミルトニアンの完全な制御が可能となり、トポロジカルバンド構造の設計も可能になる。
• 強い双極子相互作用下では、分子が合成次元内で狭いストリップに自発的に凝集し、量子ストリングまたは膜を形成する。
• この系は、ストリングまたは膜上にハードコアボソンコンデンエートを有し、回転状態分布の測定により観測可能である。
• 自己無撞着解から、非 chirality および chirality を有する超流動相が得られ、chiral 相は物理的部分空間における非アーベル的イジング任意粒子的秩序に対応する。
• クラスターメンフィールド計算により、最低の変分エネルギーが得られ、予測された相の安定性が確認され、定性的な解析に単純化された近似手法の有効性が裏付けられる。