[논문 리뷰] Bloch Oscillations Along a Synthetic Dimension of Atomic Trap States

C.J. Oliver, Aaron Smith외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 20.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 원자 조화 퍼텐셜 상태로 구성된 합성 차원에서 블로흐 진동의 첫 실험적 실현을 보여주며, 이를 위해 퍼텐셜을 동적으로 변조하여 제어 가능한 힘을 생성한다. 수십 개의 퍼텐셜 상태를 가로질러 관측된 주기적 진동은 합성 차원의 존재를 직접적으로 증명하는 증거이며, 효과적인 밴드 구조를 특성화하는 데 기여하여 고에너지 상태를 제어하고 양자 시뮬레이션에 활용할 수 있다.

ABSTRACT

Synthetic dimensions provide a powerful approach for simulating condensed matter physics in cold atoms and photonics, whereby a set of discrete degrees of freedom are coupled together and re-interpreted as lattice sites along an artificial spatial dimension. However, atomic experimental realisations have been limited so far by the number of artificial lattice sites that can be feasibly coupled along the synthetic dimension. Here, we experimentally realise for the first time a very long and controllable synthetic dimension of atomic harmonic trap states. To create this, we couple trap states by dynamically modulating the trapping potential of the atomic cloud with patterned light. By controlling the detuning between the frequency of the driving potential and the trapping frequency, we implement a controllable force in the synthetic dimension. This induces Bloch oscillations in which atoms move periodically up and down tens of atomic trap states. We experimentally observe the key characteristics of this behaviour in the real space dynamics of the cloud, and verify our observations with numerical simulations and semiclassical theory. This experiment provides an intuitive approach for the manipulation and control of highly-excited trap states, and sets the stage for the future exploration of topological physics in higher dimensions.

연구 동기 및 목표

• 이전 실험에서 수개의 사이트로 국한된 격자에 비해, 원자 조화 퍼텐셜 상태를 이용해 긴, 제어 가능한 합성 차원을 실현하기 위해.
• 합성 차원의 타당성과 효과적인 밴드 구조를 직접적으로 증명하기 위해 블로흐 진동을 실험적으로 보여주기 위해.
• 양자 시뮬레이션과 양자 공학에 활용하기 위해 고에너지 상태의 정밀한 조작과 제어를 가능하게 하기 위해.
• 조정 가능한 인공 게이지 장과 유한 범위 상호작용을 활용한 고차원 토폴로지 물리의 가능성 탐색을 위해.

제안 방법

• 패턴화된 빛을 이용해 초냉각 원자 군집의 퍼텐셜을 동적으로 변조하여 이산적인 조화 퍼텐셜 상태를 합성 공간 차원으로 결합하기 위해.
• 드라이브 주파수와 퍼텐셜 주파수 간의 디테이닝을 제어하여 합성 차원을 따라 조절 가능한 힘을 생성하기 위해.
• 결과적으로 발생하는 효과적 잠재 에너지 기울기를 이용해 원자가 저에너지와 고에너지 퍼텐셜 상태 사이를 주기적으로 이동시키는 블로흐 진동을 유도하기 위해.
• 실공간에서의 클라우드 역학을 측정하여 진동 행동을 관측하고, 수치 시뮬레이션과 반고전 이론으로 검증하기 위해.
• 클라우드 분열을 줄이고 진동의 정밀도를 향상시키기 위해 드라이브 퍼텐셜의 형상(예: 선형 대 비선형)을 최적화하기 위해.
• 드라이브를 활성화하기 전에 진동 상태로 초기화하는 두 단계 프로토콜을 사용하여 상태 준비 정밀도를 향상시키는 잠재적 전략을 고려하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원자 조화 퍼텐셜 상태로 구성된 합성 차원에서 블로흐 진동을 실험적으로 관측할 수 있는가?
• RQ2 실제 실험 시스템에서 합성 차원의 길이를 얼마나 늘릴 수 있고, 얼마나 정밀하게 제어할 수 있는가?
• RQ3 드라이브 주파수와 퍼텐셜 주파수 간의 디테이닝이 합성 차원에서의 진동 역학과 클라우드 너비에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 관측된 블로흐 진동은 합성 격자의 효과적 밴드 구조를 특성화하는 신뢰할 수 있는 서명으로 기능할 수 있는가?
• RQ5 이러한 합성 차원에서 상태 준비 정밀도와 진동 공명성을 향상시키기 위한 전략은 무엇인가?

주요 결과

• 블로흐 진동이 원자 퍼텐셜 상태 수십 개에 걸쳐 실험적으로 관측되었으며, 긴 합성 차원의 존재와 제어 가능성의 확인을 보여주었다.
• 진동 주기와 진폭은 드라이브 주파수와 퍼텐셜 주파수 간의 디테이닝을 통해 조절 가능했으며, 합성 차원에서의 효과적 힘 제어를 입증했다.
• 디테이닝 2 Hz일 때는 진동 클라우드 성분의 반폭이 약 8개 상태, 5 Hz일 때는 약 5개 상태로 측정되어, 디테이닝 증가에 따라 너비가 감소함을 보였다.
• 수치 시뮬레이션은 선형 드라이브 퍼텐셜(V(x,t) = κx cos(ω_D t))이 실험적 비선형 퍼텐셜에 비해 클라우드 분열을 억제하여 공명성을 향상시킴을 확인했다.
• 초기 상태로 비상호작용 보즈아인슈타인 응축 상태를 준비한 경우에도 블로흐 진동이 관측되었으며, 이는 초기 상태 준비에 대한 강건성을 시사했다.
• 이 방법은 고에너지 퍼텐셜 상태를 고정밀도로 조작할 수 있게 하여, 양자 시뮬레이션과 외부 원자 상태의 공학에 새로운 길을 열었다.