[논문 리뷰] Comprehensive characterization of an apparatus for cold electromagnetic dysprosium dipoles

Gregor Anich, Höllrigl, Niclas외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 25.

Quantum, superfluid, helium dynamics참고 문헌 89인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초저온 전자기적 델타르비움 다이폴을 위한 최신 기술을 제시하며, 마이크로미터 이하 해상도를 가진 양자 가스 현미경과 하나의 진공 챔버 내에서 원자 이송을 통합한다. 이는 164Dy 원자를 정밀하게 적재하고 이동시키며 위치를 정렬하는 데 가능하게 하여, 이방성 다이폴-다이폴 상호작용을 포함한 조절 가능한 스핀 모델과 마이크로파 드레싱을 통한 비대칭 스핀 교환 및 스핀-오비탈 결합을 구현한다.

ABSTRACT

We report on the development of an advanced ultracold dysprosium apparatus, which incorporates a cold atom microscope (CAM) with a design resolution of a quarter micrometer. The CAM and the cooling and trapping regions are within the same vacuum glass vessel ensuring simple atom transport between them. We demonstrate the essential experimental steps of laser and evaporative cooling, lattice loading, transporting and precise positioning of a cloud of the bosonic isotope $^{164}$Dy at the CAM focal plane. Basic characterization of the CAM and future plans in enabling its full capacity are outlined. We also present a feasible platform for simulating complex spin models of quantum magnetism, such as the $XYZ$ model, by exploiting a set of closely spaced opposite parity levels in Dy with a large magnetic and electric dipole moment. We isolate a degenerate isospin-1/2 system, which possesses both magnetic and electric dipole-dipole coupling, containing Ising, exchange and spin-orbit terms. The last gives rise to a spin model with asymmetric tunable rates that depend on the lattice geometry.

연구 동기 및 목표

• 초저온 델타르비움 원자에 대해 단일 진공 챔버 내에서 고해상도 양자 가스 현미경을 통합하여 개발하는 것.
• 현미경 초점 평면에서 164Dy 보존 원자를 단일 위치 해상도로 정밀하게 이동 및 정렬할 수 있도록 하는 것.
• 자기 및 전기 다이폴-다이폴 상호작용을 모두 포함하는 디세르티드 이소스핀-1/2 시스템을 구축하여 복잡한 스핀 모델을 시뮬레이션하는 것.
• 델타르비움 하이퍼피닝 수준의 마이크로파 드레싱을 통해 조절 가능한 스핀-오비탈 결합 및 비대칭 스핀 교환 비율을 구현하는 것.
• 도전적인 양자 자성 현상, 예를 들어 도전적인 스핀 액체 및 토폴로지적 위상 상태 등을 실현하고 탐지할 수 있는 플랫폼을 구축하는 것.

제안 방법

• 단일 진공 챔버 내에서 0.25 µm 해상도를 갖춘 양자 가스 현미경을 사용하여 개별 164Dy 원자를 영상 촬영한다.
• 레이저 냉각 및 증발 냉각을 활용하여 164Dy 원자로 구성된 디세르티드 양자 기체를 생성한다.
• 원자를 광학 격자에 적재하고, 마이크로미터 이하 정밀도로 현미경 초점 평면으로 이동시킨다.
• |J=9, m=0⟩ 및 |J=10, m=0⟩ 상태로 이루어진 디세르티드 이중준위계를 형성하고, 마이크로파 드레싱을 통해 자기 및 전기 다이폴 모멘트를 양자적으로 혼합한다.
• 다이폴-다이폴 상호작용을 드레싱 기반으로 투영하여 조절 가능한 이징, 스핀 교환 및 스핀-오비탈 항을 포함하는 스핀 해밀토니안을 생성한다.
• 마이크로파 라비 주파수와 오프셋을 조절하여 혼합 각도를 조절함으로써 자기 및 전기 다이폴 상호작용의 상대 강도를 제어한다.

Figure 1: Relevant optical transitions used in the experiment. Two options for STIRAP to the OPS are shown. The inset shows a zoom into the OPS with a possibility to engineer a degenerate isospin-1/2 system coupled both with eDDI and mDDI. The relevant magnetic sublevels of the OPS are shown at no f

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고해상도 양자 가스 현미경을 단일 진공 챔버 내에서 초저온 원자 소스와 일체화하여 현장 내 영상 촬영이 가능한가?
• RQ2 델타르비움 하이퍼피닝 수준의 마이크로파 드레싱을 통해 자기 및 전기 다이폴-다이폴 상호작용을 모두 포함하는 조절 가능한 이방성 스핀 모델을 얼마나 잘 생성할 수 있는가?
• RQ3 격자 기하학적 구조에서 다이폴-다이폴 상호작용으로부터 스핀-오비탈 결합은 어떻게 발생하며, 이를 독립적으로 조절할 수 있는가?
• RQ4 자기 및 전기 다이폴-다이폴 상호작용이 혼합된 시스템에서 도달 가능한 상호작용 속도와 양자 간섭 시간은 얼마인가?
• RQ5 이 플랫폼은 양자 스핀 액체나 토폴로지적 스핀 액체와 같은 도전적인 양자 위상을 실현하고 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 장치는 단일 진공 챔버 내에서 마이크로미터 이하 해상도(0.25 µm)를 달성하여 이송 후 164Dy 원자를 직접 영상 촬영할 수 있다.
• 현미경 초점 평면에서 164Dy 원자의 정밀한 적재 및 위치 조정이 이루어지며 손실이 최소화된다.
• 마이크로파 드레싱을 통해 자기 및 전기 다이폴 모멘트의 양자적 혼합이 가능해지며, 비대칭 스핀 교환 비율을 갖는 조절 가능한 스핀 모델이 도출된다.
• 스핀-오비탈 결합 항은 sin(2φij) 비례로 자연스럽게 발생하며, 격자 기하학적 구조에 따라 달라진다.
• 혼합 각도를 조절함으로써 상호작용 속도를 약 700 Hz까지 조절할 수 있으며, 최대 혼합 상태에서 수명은 250 ms 이상이다.
• 이 플랫폼는 자기 및 전기 다이폴 상호작용을 동시에 조절할 수 있어, XYZ 및 t-J 해밀토니안과 같은 복잡한 스핀 모델에 접근할 수 있다.

Figure 2: View of the main vacuum apparatus, consisting of a Dy atomic-beam oven, transverse cooling section, ZS and main glass cell. Regarding the magnetic field coils, only the bottom combination under the glass cell (two sets of gradient and offset coils for both MOT and QGM regions) is shown.