[논문 리뷰] Experimental realization of strong effective magnetic fields in an optical lattice

Monika Aidelsburger, Marcos Atala외 4명|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 24.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 라만 보조 터널링을 이용해 두 차원 광학 격자에서 강한 효과적인 자기장의 실험적 실현을 보여주며, 플라켓당 ±π/2의 스태그너트 아하로노프-보어 위상이 유도된다. 이 시스템은 시간역전 대칭성 위반, 응축된 도약성으로 인한 고체 상태의 degeneracy, 그리고 단일 원자에서의 양자 사이클로트론 운동의 직접 관측을 보이며, 플라켓당 효과적인 플럭스가 하나의 플럭스 양자에 가까워진다.

ABSTRACT

We use Raman-assisted tunneling in an optical superlattice to generate large tunable effective magnetic fields for ultracold atoms. When hopping in the lattice, the accumulated phase shift by an atom is equivalent to the Aharonov-Bohm phase of a charged particle exposed to a staggered magnetic field of large magnitude, on the order of one flux quantum per plaquette. We study the ground state of this system and observe that the frustration induced by the magnetic field can lead to a degenerate ground state for non-interacting particles. We provide a measurement of the local phase acquired from Raman-induced tunneling, demonstrating time-reversal symmetry breaking of the underlying Hamiltonian. Furthermore, the quantum cyclotron orbit of single atoms in the lattice exposed to the magnetic field is directly revealed.

연구 동기 및 목표

• 외부 자기장 없이 초냉각 원자 시스템에서 강한 효과적인 자기장을 실현하기 위해.
• 청결하고 조절 가능한 광학 격자 플랫폼에서 정수 양자홀 효과를 시뮬레이션하기 위해.
• 플라켓당 효과적인 플럭스가 하나의 플럭스 양자에 가까워지도록 하여 강한 상관관계를 가진 양자 상에 접근하기 위해.
• 스태그너트 플럭스로 인해 발생하는 응축된 도약성으로 인해 시간역전 대칭성 위반과 고체 상태의 디제너레이시를 비상호작용 시스템에서 관측하기 위해.
• 효과적인 자기장 하에서 격자 내 단일 원자의 양자 사이클로트론 궤도를 직접 영상화하기 위해.

제안 방법

• 라만 레이저가 격자 위치 간의 터널링을 유도하며 공간적으로 변화하는 위상을 가지며, 효과적인 게이지 전위를 생성한다.
• 라만 결합 위상은 exp(±iδk·R)로 변하며, 네 점 플라켓당 ±π/2의 스태그너트 자기 플럭스를 생성한다.
• 복소 터널링 강도 K exp(±iδk·R)를 가진 타이트 바인딩 해밀토니안으로 시스템을 기술하며, 균일한 효과적인 자기장과 유사하게 작용한다.
• 시간에 따른 확산 및 위치 해상도 검출을 통해 운동량 분포와 국소 위상 정보를 측정한다.
• 단일 원자를 고립된 플라켓에 준비하여 사이클로트론 운동과 위상 축적을 연구한다.
• 시간에 따른 확산 후 운동량 공간에서의 간섭 무늬에서 위상 측정을 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성 원자 시스템에서 양자홀 효과 유사 물리 현상을 일으킬 수 있을 정도로 강한 효과적인 자기장을 실현할 수 있는가?
• RQ2 유도된 효과적인 게이지 전위가 터널링 중 위상 축적을 통해 시간역전 대칭성 위반을 보여주는가?
• RQ3 스태그너트 플럭스로 인한 응축된 도약성으로 인해 비상호작용 시스템에서 고체 상태의 디제너레이시가 나타날 수 있는가?
• RQ4 이러한 격자에서 단일 원자의 양자 사이클로트론 운동을 직접 관측할 수 있는가?
• RQ5 2차원 광학 격자에서 라만 보조 터널링을 통해 플라켓당 도달할 수 있는 최대 효과적인 플럭스는 얼마인가?

주요 결과

• 실험적으로 플라켓당 ±π/2의 효과적인 자기 플럭스를 달 đạt하여, 약 하나의 플럭스 양자에 가까운 강한 효과적인 자기장을 실현하였다.
• J/K > √2일 때 운동량 분포에 분할 피크 구조가 나타나, 응축된 도약성으로 인한 고체 상태의 디제너레이시가 나타남을 시사하였다.
• 라만 보조 터널링 중에 축적된 국소 위상의 직접 측정을 통해 해밀토니안의 시간역전 대칭성 위반이 확인되었다.
• 고립된 플라켓에서 단일 원자의 양자 사이클로트론 궤도가 직접 관측되어 효과적인 자기장 하에서의 역학이 확인되었다.
• 스태그너트 플럭스 패턴으로 인한 응축된 도약성으로 인해 비상호작용 입자에 대해 디제너레이트된 고체 상태를 나타내었다.
• 고립된 双우물에서의 터널 진동을 통해 라만 유도 터널 결합 강도 K를 독립적으로 측정하여 위상 공학 기반 기술의 타당성을 확인하였다.