[論文レビュー] The time-domain Landau-Zener-Stuckelberg-Majorana interference in optical lattice clock

Weixin Liu, Tao Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2021

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 52被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、1次元 $^{87}$Sr 光格子時計 (OLC) において、'魔法'波長付近で格子周波数を周期的に変調することで、時間領域 Landau-Zener-St"uckelberg-Majorana (LZSM) 干渉を観測する理論的枠組みを提案する。断熱的・インパulseモデルとFloquet数値シミュレーションの両方を用いて、熱的デコherenceが存在する状況でも、高速および低速通過領域の両方で、段階的な構造を持つ強固なラビ様振動が観測されることを示した。主な貢献は、従来、コherenecの制限により達成できなかった原子系におけるLZROの実験的観測のための実現可能性のあるロードマップを提示したことである。

ABSTRACT

The interference between a sequence of Landau-Zener (LZ) transitions can produce Rabi oscillations(LZROs). This phenomenon is a kind of time-domain Landau-Zener-Stuckelberg-Majorana (LZSM) interference. However, experimental demonstrations of this LZSM interference induced Rabi oscillation are extremely hard due to the short coherence time of the driven quantum system. Here, we study theoretically the time-domain LZSM interference between the clock transition in one-dimensional (1D) Sr-87 optical lattice clock (OLC) system. With the help of both the adiabatic-impulse model and Floquet numerical simulation method, the LZROs with special step-like structure are clearly found both in fast- and slow-passage limit in the real experiment parameter regions. In addition, the dephasing effect caused by the system temperature can be suppressed with destructive interference in the slow-passage limit. Finally, we discuss the possible Bloch-Siegert shift while the pulse time is away from the half-integer and integer periods. Our work provides a clear roadmap to observe the LZROs on the OLC platform.

研究の動機と目的

• 1次元 $^{87}$Sr 光格子時計 (OLC) システムにおいて、時間領域 Landau-Zener-Rabi 振動 (LZROs) を観測する可能性を示すこと。
• 量子系における短いコherenec時間という実験的課題を克服し、OLC プラットフォームでLZROsが観測可能なパラメータ領域を同定すること。
• 駆動されたOLC系におけるLZSM干渉、温度に起因するデコherence、およびBloch-Siegertシフトの相乗的影響を分析すること。
• 既存または近い将来の実験装置を用いて、原子系におけるLZROsの理論的ロードマップを提供すること。

提案手法

• 時間周期的変調を伴う光子補助 Landau-Zener-St"uckelberg-Majorana (LZSM) ハミルトニアンを用いた駆動OLC系の理論的モデリング。
• 時間発展を解析的に記述し、有効ラビ周波数を予測するための断熱的・インパulseモデル (AIM) の採用。
• 無限次元のFloquetハミルトニアン（161ブロックに切断）の数値対角化を用いた、系のダイナミクスの高精度なシミュレーションのためのFloquet理論の適用。
• 高速および低速通過領域の両方で、AIMの予測と高精度なFloquetシミュレーションを比較し、解析的フレームワークの妥当性を検証。
• 低温領域における温度効果をデコherenceを介して取り入れ、破壊的干渉による抑制を示した。
• 非整数および半整数駆動周期に起因する周波数シフト（Bloch-Siegert様シフトを含む）の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実験的パラメータが現実的である条件下で、1次元 $^{87}$Sr 光格子時計において、時間領域LZSM干渉が観測可能なラビ様振動（LZROs）を生じるか？
• RQ2 熱的デコherenceはLZROsの可視性およびコherenecにどのように影響を及ぼし、低速通過領域ではこれを緩和できるか？
• RQ3 駆動周波数と振幅が、LZROsにおける段階的構造の人口振動を生成する役割を果たすか？
• RQ4 整数および半整数駆動周期からの逸脱が、有効ラビ周波数にどのように影響を与え、Bloch-Siegert様シフトを引き起こすか？
• RQ5 断熱的・インパulseモデルとFloquetシミュレーションは、LZRO特性をどの程度一致して予測できるか？

主な発見

• Floquetシミュレーションを用いて、解像されたサイドバンド近似を超えて、高速および低速通過領域の両方で、LZROsに特徴的な段階的構造の人口振動が明確に観測された。
• 断熱的・インパulseモデルは、LZROsの有効ラビ周波数を正確に予測できており、数値的Floquet結果と非常に良好な一致を示した。
• 低速通過領域では、破壊的干渉により熱的デコherenceが抑制され、LZROsの可視性が向上した。
• 低速通過領域における有効ラビ周波数は、断熱基底状態から導出された解析的式と一致しており、半整数駆動周期でも同様であった。
• 非整数および半整数駆動周期は、有効ラビ周波数に測定可能なBloch-Siegert様シフトを引き起こし、実験的キャリブレーションにおいてこれを補正する必要がある。
• 本研究は、既存または近い将来の実験装置を用いて、光格子時計におけるLZROsの実験的観測のための妥当な理論的ロードマップを提供した。