[논문 리뷰] Ballistic, diffusive, and arrested transport in disordered momentum-space lattices

Fangzhao Alex An, Η. Meier외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 25.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 55인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 초냉각 원자로 합성 운동량 공간 격자를 사용하여 공학적으로 설계된 동적 및 비대칭 불순물(disorder)을 구현함으로써, 레이저 구동 턨널링 위상 제어를 통해 궤도적, 확산적, 정지된 운반 영역을 달성한다. 주요 기여는 시간에 따라 변하는 터널링 위상 불순물에 의해 궤도적에서 확산적 확산으로의 양자-고전적 전이(crossover)를 처음으로 관측한 것으로, 정적 입자 에너지 불순물 조건 하에서 앤더슨 국소화의 직접적 증거를 제시한다.

ABSTRACT

Ultracold atoms in optical lattices offer a unique platform for investigating disorder-driven phenomena. While static disordered site potentials have been explored in a number of optical lattice experiments, a more general control over site-energy and off-diagonal tunneling disorder has been lacking. The use of atomic quantum states as "synthetic dimensions" has introduced the spectroscopic, site-resolved control necessary to engineer new, more tailored realizations of disorder. Here, by controlling laser-driven dynamics of atomic population in a momentum-space lattice, we extend the range of synthetic-dimension-based quantum simulation and present the first explorations of dynamical disorder and tunneling disorder in an atomic system. By applying static tunneling phase disorder to a one-dimensional lattice, we observe ballistic quantum spreading as in the case of uniform tunneling. When the applied disorder fluctuates on timescales comparable to intersite tunneling, we instead observe diffusive atomic transport, signaling a crossover from quantum to classical expansion dynamics. We compare these observations to the case of static site-energy disorder, where we directly observe quantum localization in the momentum-space lattice.

연구 동기 및 목표

• 정적 입자 에너지 불순물 이상의 공학적 동적 불순물을 탐색하기 위해.
• 1차원 운동량 공간 격자에서 시간에 따라 변하는 터널링 위상이 양자 운반 동역학에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 일시적 터널링 위상 불순물 조건 하에서 양자 궤도적 확산에서 고전적 확산 운반으로의 전이 관측을 위해.
• 정적 입자 에너지 불순물 조건 하에서 앤더슨 국소화의 입자 해상도 관측을 통해 증명하기 위해.
• 공학적 하미르토니안 노이즈를 활용하여 열역학적 및 비평형 현상을 시뮬레이션할 수 있는 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 스펙트럼적으로 설계된 성분을 가진 반대 방향으로 빛나는 원거리 떨어진 브라그 레이저로 형성된 운동량 공간 격자 내에 보즈아인슈타인 응축물(Bose-Einstein condensate)을 사용한다.
• 개별 이광자 브라그 전이에 대한 스펙트로스코픽 제어를 통해 터널링 강도와 위상, 그리고 입자 에너지를 독립적으로 조절한다.
• 정적 터널링 위상 불순물을 적용하여 궤도적 운반을 관측하고, 동적으로 변하는 위상을 통해 일시적 불순물 조건을 시뮬레이션한다.
• 비유리적 코시누스 패턴을 통해 가짜 랜덤 입자 에너지 불순물을 적용하여 운동량 격자 내 정적 불순물을 모방한다.
• 시간에 따라 변화하는 입자 해상도 운동량 분포 측정을 통해 확산 동역학을 추적하고 운반 지수를 추출한다.
• 시간 평균화된 위상 효과를 포함한 효과적 격자 희박 하미르토니안의 수치 시뮬레이션과 실험 결과를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간에 따라 변하는 터널링 위상 불순물이 1차원 운동량 공간 격자 내에서 양자 운반에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 공학적 동적 불순물을 활용하여 합성 차원에서 궤도적에서 확산적 운반으로의 전이를 관측할 수 있는가?
• RQ3 정적 입자 에너지 불순물이 운동량 공간 격자에서 앤더슨 국소화를 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 입자 에너지 불순물 및 터널링 위상 불순물 영역에서 불순물 강도가 증가함에 따라 운반 지수(γ)는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 공학적이고 가역적인 불순물이 양자 시뮬레이션 플랫폼에서 열적 변동을 어느 정도 모방할 수 있는가?

주요 결과

• 정적 터널링 위상 불순물 조건에서는 운반 지수 γ ≈ 2로 궤도적 양자 확산이 관측되며, 이는 일관된 동역학과 일치한다.
• 터널링 위상의 변동 시간 상수가 터널링 시간과 유사한 경우, 확산 운반으로의 전이가 관측되며, 이는 γ ≈ 1로 고전적 확장과 유사함을 시사한다.
• 정적 입자 에너지 불순물 조건에서는 확산 지수의 감소가 관측되며, Δ/t = 5.9(1)에서 γ = 0.12(6)에 도달하여 거의 정지된 운반 상태를 나타낸다.
• 입자 해상도 밀도 측정 결과는 국소화 길이 ξ ≈ 1/Δ로 지수적 국소화를 확인하며, Δ/t ≳ 2 조건에서 앤더슨 국소화와 일치한다.
• 수치 시뮬레이션 결과, 높은 효과적 온도(kBT/t ≳ 1) 조건에서는 매우 빠르게 변하는 위상의 시간 평균화로 인해 운반 지수 γ ≈ 2로 복귀함을 보였다.
• kBT/t ≤ 1 조건에서 실험 데이터는 시뮬레이션 결과와 잘 일치하며, 공학적 일시적 불순물이 비평형 동역학의 제어 가능한 탐사 수 Mittel로 유효함을 검증한다.