[논문 리뷰] Interband heating processes in a Floquet-driven optical lattice

Christoph Sträter, André Eckardt|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 04.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 수치 시뮬레이션과 플로케트 공간에서의 해석적 디제너레이트 양자역학적 섭동 이론을 사용하여 주기적으로 조절되는 광학 격자에서의 다중광자 간대 전이를 연구한다. 저주파에서 간대 가열은 지수적으로 억제되고 임계 주행 강도를 초과하면 급격한 시작을 보이며, 이는 주기적으로 구동되는 격자 시스템 전반에 일반적으로 예상되는 행동이다.

ABSTRACT

We investigate multi-photon interband excitation processes in an optical lattice that is driven periodically in time by a modulation of the lattice depth. Assuming the system to be prepared in the lowest band, we compute the excitation spectrum numerically. Moreover, we estimate the effective coupling parameters for resonant interband excitation processes analytically, employing degenerate perturbation theory in Floquet space. We find that below a threshold driving strength, interband excitations are suppressed exponentially with respect to the inverse driving frequency. For sufficiently low frequencies, this leads to a rather sudden onset of interband heating, once the driving strength reaches the threshold. We argue that this behavior is rather generic and should also be found in lattice systems that are driven by other forms of periodic forcing. Our results are relevant for Floquet engineering, where a lattice system is driven periodically in time in order to endow it with novel properties like the emergence of a strong artificial magnetic field or a topological band structure. In this context, interband excitation processes correspond to detrimental heating.

연구 동기 및 목표

• 주기적으로 구동되는 광학 격자에서의 다중광자 간대 전이 메커니즘을 이해하기 위해.
• 시간 주기적 격자 시스템에서 간대 가열이 억제되거나 강화되는 조건을 규명하기 위해.
• 플로케트 공간에서의 해석적 방법을 사용하여 공명 간대 전이의 효과적 결합 파rameter를 추정하기 위해.
• 관측된 가열 행동이 다양한 주기적 구동 형태에 걸쳐 일반적인가를 평가하기 위해.
• 플로케트 공학 적용에서 해로운 가열을 최소화하기 위한 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 시스템을 최저 밴드에 준비한 주기적으로 변조되는 광학 격자에서의 전이 스펙트럼을 수치적으로 계산하기 위해.
• 플로케트 형식론 내에서 디제너레이트 섭동 이론을 적용하여 간대 전이의 효과적 결합 파arameter를 해석적으로 추정하기 위해.
• 간대 전이율이 구동 주파수와 진폭에 따라 어떻게 변화하는지 분석하기 위해.
• 간대 전이가 지수적으로 억제되는 임계 주행 강도 이하의 조건을 식별하기 위해.
• 격자 깊이의 변조를 통한 시간 주기적 구동을 사용하여 플로케트 공학 조건을 시뮬레이션하기 위해.
• 수치 결과와 해석적 추정치를 비교하여 억제 메커니즘을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주기적으로 구동되는 광학 격자에서 간대 전이율은 구동 주파수와 진폭에 어떻게 의존하는가?
• RQ2 플로케트 공간에서의 디제너레이트 섭동 이론은 간대 전이의 효과적 결합을 추정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 어떤 조건에서 주기적으로 구동되는 격자 시스템에서 간대 가열이 지수적으로 억제되는가?
• RQ4 저주파에서 간대 가열이 임계 주행 강도에서 갑작스럽게 시작되는 이유는 무엇인가?
• RQ5 관측된 가열 행동은 다양한 유형의 주기적 구동에 걸쳐 얼마나 일반적인가?

주요 결과

• 임계 임계값 이하에서 간대 전이는 역주파수에 대해 지수적으로 억제된다.
• 충분히 낮은 구동 주파수에서는 주행 강도가 임계값을 초과하면 간대 가열이 급격히 발생한다.
• 플로케트 공간에서의 디제너레이트 섭동 이론에 기반한 해석적 추정치는 억제 행동을 정확히 반영한다.
• 관측된 억제 및 급격한 시작 메커니즘은 다양한 주기적 구동 프로토콜에 걸쳐 강건하며 일반적으로 예상된다.
• 결과는 플로케트 공학된 시스템에서 해로운 가열을 최소화하기 위해 구동 파arameter를 제어하는 것이 중요하다는 점을 부각시킨다.
• 이러한 발견은 초냉각 원자 시스템에서 안정적인 인공 게이지 장과 위상적 밴드 구조를 실현하는 데 직접적으로 관련된다.