[논문 리뷰] Finite-range interacting Ising quantum magnets with Rydberg atoms in optical lattices - From Rydberg superatoms to crystallization

Peter Schauß|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 27.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 168인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 광학 격자 내 라이드버그 원자들을 이용한 유한 범위 상호작용을 갖는 이징 양자 스핀 자성체의 실현을 검토하며, $1/r^6$ 반데르발스 힘에 의해 조절 가능한 장거리 상호작용을 보여준다. 초원자 영역—블록화 효과로 인해 오직 한 개의 진동자가 존재하는 영역—부터 시작하여, 위치 해상도가 높은 검출 기술과 제어 가능한 횡방향 및 縦방향 필드를 통해 더 큰 시스템에서 스핀 결정화 현상이 관측된 실험적 진전을 기술한다.

ABSTRACT

Finite-range interacting spin models are the simplest models to study the effect of beyond nearest-neighbour interactions and access new effects caused by the range of the interactions. Recent experiments have reached the regime of dominant interactions in Ising quantum magnets via optical coupling of trapped neutral atoms to Rydberg states. This approach allows for the tunability of all relevant terms in an Ising Hamiltonian with $1/r^6$ interactions in a transverse and longitudinal field. This review summarizes the recent progress of these implementations in Rydberg lattices with site-resolved detection. The strong correlations in this quantum Ising model have been observed in several experiments up to the point of crystallization. In systems with a diameter small compared to the Rydberg blockade radius, the number of excitations is maximally one in the so-called superatom regime.

연구 동기 및 목표

• 라이드버그 원자를 이용한 광학 격자에서 근접 이웃 상호작용을 초월하는 유한 범위 상호작용 스핀 모델을 연구하기 위해.
• 블록화 효과로 인해 오직 한 개의 라이드버그 진동자만 허용되는 초원자 영역에서 다체 양자 얽힘 상태로의 전이를 탐색하기 위해.
• 위치 해상도 영상 기술을 통해 라이드버그 드레싱된 유한한 스핀 시스템에서의 양자 결정화 현상을 관측하고 특성화하기 위해.
• 라이드버그 상태 결합을 통해 제어 가능한 횡방향 및 縦방향 필드를 갖는 조절 가능한 이징 해밀토니안을 실현하기 위해.
• 라이드버그 드레싱 기술을 통해 초고체 및 유리 상태와 같은 이국적인 양자 상을 시뮬레이션할 수 있도록 확장하기 위해.

제안 방법

• 근공명 레이저 결합을 통해 라이드버그 상태로의 전이를 이용해 라이드버그 해밀토니안을 효과적인 스핀-1/2 이징 모델로 매핑하기 위해.
• 라이드버그 상태에 있는 원자 간의 반데르발스 전기 dipole-dipole 상호작용을 통해 조절 가능한 $1/r^6$ 상호작용을 실현하기 위해.
• 개별 스핀 구성과 단일 위치 해상도로 측정된 공간 상관 함수를 검출하기 위해 위치 해상도 영상 기술을 사용하기 위해.
• 라비 주파수를 통해 횡방향 필드를 제어하고 외부 자기장으로 인해 縦방향 필드를 제어하여 이징 해밀토니안의 매개변수를 조절하기 위해.
• 라이드버그 드레싱—비공명 상태로의 결합—을 적용하여 장수명 효과적 상호작용을 설계하고 격자 내 원자의 운동을 가능하게 하기 위해.
• 원자 운동을 忽略하는 냉각된 라이드버그 기체 근사법을 사용하여 강한 상호작용 영역에서 내부 스핀 동역학에 집중하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 조절 가능한 상호작용 범위를 갖는 라이드버그 드레싱 원자 시스템에서 이징 모델의 유한 범위 상호작용은 어떻게 나타나는가?
• RQ2 장거리 상호작용이 있는 유한한 라이드버그 시스템에서의 양자 결정화의 특징은 무엇인가?
• RQ3 시스템 크기가 라이드버그 블록화 반경보다 작을 때 초원자 영역은 어떻게 발생하는가?
• RQ4 라이드버그 드레싱은 초고체 또는 클러스터 루팅어 리드러스와 같은 이국적인 양자 상을 실현하는 데 기여할 수 있는가?
• RQ5 라이드버그 원자를 이용한 장거리 상호작용 스핀 시스템에서의 양자 coherence와 제어의 실험적 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 시스템 직경이 라이드버그 블록화 반경보다 작을 때 초원자 영역이 실현되며, 이로 인해 진동자 수가 한 개로 제한된다.
• 더 큰 시스템에서는 라이드버그 드레싱된 광학 격자에서 위치 해상도 검출 기술을 통해 강한 상관관계와 스핀 결정화 현상이 실험적으로 관측되었다.
• 레이저 결합을 통해 횡방향 및 縦방향 필드를 완전히 조절 가능한 $1/r^6$ 상호작용을 갖는 유한 범위 이징 모델이 실현되었다.
• 위치 해상도 영상 기술을 통해 직접 공간 스핀 상관 함수를 측정하였으며, 이는 질서 있는 상의 출현을 확인하였다.
• 소수체 및 다체 시스템에서 라이드버그 드레싱이 실험적으로 구현되었으며, 더 긴 효과 수명과 새로운 상호작용 영역에의 접근을 가능하게 하였다.
• 초고체 물방울 결정 및 유리 상태와 같은 이론적 제안된 이국적 상들이 실험적 진전을 통해 실현 가능성이 뒷받침되었다.