[논문 리뷰] Cyclotron dynamics of cold atoms in 2D optical lattices

Andrey R. Kolovsky|arXiv (Cornell University)|2010. 06. 28.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 16인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 저주파수 주기적 구동을 사용하여 2차원 광학 격자에서 냉각 원자에 대한 인공 자기장을 생성하는 방법을 제안한다. 이는 광자 보조 터널링을 유도함으로써 사이클로트론 유사 운동을 가능하게 한다. 주요 기여는 라만 레이저를 사용하지 않아도 되는 간단한 설정으로, 자발적 방출 손실을 피할 수 있으며, 간섭 무늬와 질량중심 파cket 운동을 통한 검출을 통해 고전적 사이클로트론 행동을 관찰할 수 있다.

ABSTRACT

We propose a simple setup for introducing an artificial magnetic field for neutral atoms in 2D optical lattices. This setup is based on the phenomenon of photon-assistent tunneling and involves a low-frequency periodic driving of the optical lattice. We also address the problem of detecting this effective magnetic field. In particular, we discuss interference patterns of the atomic wave function and study the center of mass wave-packet dynamics, which shows some features of cyclotron dynamics of a classical charged particle. Introduction. – A major motivation of current research with cold atoms in optical lattices is the prospect of simulating the solid state physics. However, to have a full access to phenomena of the solid state physics this system (which can be considered as an artificial crystal) should be accomplished by artificial electric and magnetic fields. In present days experiments the former case of external electric field is routinely mimicked by accelerating the optical lattice [1–3], or by using the gravitational force [4–6] or a combination of gravitational and levitational forces [7]. The case of magnetic field is more difficult for laboratory realization because it requires a setup, where atomic wave function acquires a finite phase when the atom tunnels along a closed path on the lattice. This setup was suggested in the seminal paper [8], where the authors use two independent 2D optical lattices for two different internal atomic states, which are coupled by additional Raman lasers. The Rabi transition between internal states induces hopping of the atom between nearest lattice sites, where the required phase accumulation is achieved by using a special geometry for the Raman beams. This idea was developed further in Ref. [9, 10]. It was shown that one can also introduce an exotic (unphysical) field and non-Abelian gauge potentials by using the Raman-laser technique. For atoms in a harmonic trap (no lattice) the Raman scheme with 3 spin states of the F = 1 electronic ground state of Rb atom was realized in the recent experiment [11]. In this setup the magnitude of the effective magnetic field is defined by the gradient of the real magnetic field which splits the F = 1 level into Zeeman sublevels. In the paper the authors put forward a conjecture that this scheme should work in the presence of an optical lattice as well. We note that the cited experiment also illuminated a drawback of the Raman-laser based techniques. Namely, the spontaneous emission from the Raman beams removes atom from the trap, causing the population to decay within approx. 2 seconds.

연구 동기 및 목표

• 라만 레이저에 의존하지 않고 2차원 광학 격자에서 인공 자기장을 실현하기 위한 단순하고 실험적으로 구현 가능한 방법을 개발하는 것.
• 기존의 라만 기반 방법에서 발생하는 자발적 방출로 인한 원자 손실 문제(약 2초 이내)를 해결하는 것.
• 주기적 구동을 통해 효과적인 자기 플럭스를 유도하여 중성 원자에서 사이클로트론 운동을 관찰할 수 있도록 하는 것.
• 간섭 무늬와 질량중심 파cket 운동을 통해 효과적인 자기장의 검출 가능 서명을 제안하는 것.

제안 방법

• 광학 격자 위치의 저주파수 주기적 변조를 사용하여 격자 사이에서 광자 보조 터널링을 유도하는 것.
• 원자 터널링이 폐쇄된 루프를 따라 이동할 때 위상 이동을 갖도록 구동장을 설계하여 자기 플럭스를 모방하는 것.
• 역동적 터널링 메커니즘을 활용하여 균일한 인공 자기장에 해당하는 게이지 포텐셜을 생성하는 것.
• 원자 파동함수의 간섭 무늬를 이용하여 효과적인 자기장의 존재와 크기를 검출하는 것.
• 파켓의 질량중심 운동을 분석하여 자기장 속에서 전하를 띤 입자가 보이는 사이클로트론 유사 궤도를 관찰하는 것.
• 라만 레이저를 사용하지 않아 자발적 방출과 원자 손실을 최소화하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저주파수 주기적 구동이 라만 레이저 없이 중성 원자에 대해 효과적인 자기장을 생성할 수 있는가?
• RQ2 유도된 인공 자기장은 2차원 격자에서 원자 파켓의 질량중심 운동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 효과적인 자기 플럭스로 인한 위상 축적으로 인해 나타나는 측정 가능한 간섭 무늬는 무엇인가?
• RQ4 이 방법은 라만 레이저 기반 방법에 내재된 자발적 방출 문제를 어느 정도 피할 수 있는가?

주요 결과

• 저주파수 주기적 구동 하에서 광자 보조 터널링을 통해 효과적인 자기장을 성공적으로 생성하여 중성 원자에서 사이클로트론 유사 운동을 가능하게 하였다.
• 질량중심 파켓 운동이 자기장 속에서 전하를 띤 입자가 보이는 고전적 운동과 유사한 궤도를 보이며, 효과적인 루프르츠 힘의 존재를 확인하였다.
• 원자 파동함수의 간섭 무늬는 효과적인 자기 플럭스의 직접적 서명을 제공하여 실험적 검출이 가능함을 보여주었다.
• 라만 레이저를 사용하지 않아 자발적 방출의 주요 원인을 제거하였으며, 이로 인해 이전 설정에서 약 2초의 수명 제한이 사라졌다.
• 주기적 구동 주파수와 진폭을 조절하여 플라켓당 효과적인 플럭스를 제어할 수 있는 인공 자기장이 조절 가능함을 확인하였다.