[논문 리뷰] Lattice-induced rapid formation of spin singlets in spin-1 spinor condensates

Lichao Zhao, Tao Tang외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 02.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 입자 간 상호작용을 강화하고 국소 원자 수를 감소시켜 실험적 제약 조건을 완화함으로써, 입자 수가 적은 입자 상태에서 비단절적(비등온적)으로 스핀 싱เก릿을 빠르게 형성할 수 있음을 보여준다. 마이크로파 드레싱과 격자에 의한 상호작용 증강을 통해 초순수 스핀-1 스핀어로 보스- Einstein 응축체에서 첫 번째 계급의 초유동성-모트-고립체 전이 이후 약 80%의 원자가 즉시 스핀 싱게릿을 형성하며, 이는 스핀 분포 측정과 스핀 회전 측정을 통해 검증되었다. 현상학적 모델은 조정 가능한 매개변수 없이 실험 데이터와 정확히 일치한다.

ABSTRACT

We experimentally demonstrate that combining a cubic optical lattice with a spinor Bose-Einstein condensate substantially relaxes three strict constraints and brings spin singlets of ultracold spin-1 atoms into experimentally accessible regions. About 80 percent of atoms in the lattice-confined spin-1 spinor condensate are found to form spin singlets, immediately after the atoms cross first-order superfluid to Mott-insulator phase transitions in a microwave dressing field. A phenomenological model is also introduced to well describe our observations without adjustable parameters.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 스핀-1 원자에서 스핀 싱게릿 형성에 제한을 주는 엄격한 실험적 조건, 즉 0인 비선형 제이제인 에너지와 0인 자화 요구 조건을 극복하기 위해.
• 입자 간 상호작용을 강화하고 국소 원자 수를 감소시킬 수 있는 입자 격자의 능력을 활용하여 스핀어로 보스-아인슈타인 응축체에서 스핀 싱게릿을 비단절적으로 신속하게 생성하기 위해.
• 입자 격자 램프 시퀀스를 통해 원자 재분포를 유도함으로써 실험적으로 실현 가능한 영역에서 스핀 싱게릿에 접근할 수 있음을 실험적으로 보여주기 위해.
• 스핀 분포 분포와 공명 RF 펄스 하에서의 스핀 회전 대칭성이라는 두 가지 독립적인 검출 방법을 통해 스핀 싱게릿 형성을 검증하기 위해.
• 조정 가능한 매개변수가 없는 현상학적 모델을 개발하고 검증하여 관측된 스핀 싱게릿 분율을 설명하기 위해.

제안 방법

• 실험은 입자 수 1.2×10⁵의 스핀-1 스핀어로 보스-아인슈타인 응축체를 수직 극성(LP) 또는 횡방향 극성(TP) 상태로 준비하여 입자 격자에 로딩함으로써 첫 번째 계급의 초유동성-모트-고립체(SF-MI) 상전이를 유도한다.
• 격자는 체류 상호작용을 강화하고 평균 원자 수를 5개의 자리수 감소시켜 이전에는 매개변수 제약 조건으로 인해 접근 불가능했던 영역에서도 스핀 싱게릿 형성을 가능하게 한다.
• 스핀 싱게릿 분율을 기술하기 위해 현상학적 모델을 수립하였으며, 이는 짝수 점유 수를 가진 모트 루프(n=2,4,6)로의 원자 재분포와 그로 인한 스핀 분포 분포를 고려한다. 이는 식 (3)에 의해 표현되며, 다양한 루프에서의 스핀 분포의 가중 평균을 포함한다.
• 스핀 싱게릿 형성은 m_F=0 상태에서의 분율 분포(ρ₀) 측정과 x축을 중심으로 한 π/2 스핀 회전에 대한 불변성 측정을 통해 탐지되며, 이는 스핀 싱게릿의 특징적인 회전 대칭성을 확인한다.
• 모델은 ρ₀ 값에 대한 예측을 실험 데이터와 비교하여 검증되었으며, 다양한 비선형 제이제인 에너지(q) 값에서 양측 모두에서 뛰어난 일치를 보였다.
• 측정된 ρ₀ 값에서 기준 방법을 사용하여 스핀 싱게릿 분율 f_ss를 추출함으로써 스핀 싱게릿을 형성하는 원자의 비율을 정량적으로 평가할 수 있었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 입자 격자와 스핀어로 보스-아인슈타인 응축체를 조합함으로써 초냉각 스핀-1 원자에서 스핀 싱게릿을 비단절적으로 빠르게 형성할 수 있는가?
• RQ2 격자에 의해 강화된 상호작용과 감소한 국소 원자 수는 스핀 싱게릿 형성에 요구되는 비선형 제이제인 에너지와 자화에 대한 엄격한 제약 조건을 어느 정도 완화하는가?
• RQ3 첫 번째 계급의 SF-MI 전이 직후 라티스에 갇힌 스핀-1 스핀어로 응축체에서 몇 퍼센트의 원자가 스핀 싱게릿을 형성하는가?
• RQ4 짝수 점유 수를 가진 모트 루프에서의 원자 재분포를 기반으로 한 현상학적 모델이 조정 가능한 매개변수가 없이 관측된 스핀 분포 및 회전 대칭성 데이터를 정량적으로 설명할 수 있는가?
• RQ5 스핀 분포의 균일성과 회전 대칭성 등의 실험적 서명은 격자에 갇힌 시스템에서 스핀 싱게릿 존재를 어떻게 확인하는가?

주요 결과

• 첫 번째 계급의 초유동성-모트-고립체 상전이를 통과한 직후, 격자에 갇힌 스핀-1 스핀어로 응축체에서 약 80%의 원자가 스핀 싱게릿을 형성하며, 이는 스핀 분포 분포와 스핀 회전 대칭성 측정을 통해 확인되었다.
• 비선형 제이제인 에너지가 -4 Hz ≤ q/h ≤ 0 Hz 범위에 있을 때 스핀 싱게릿 분율 f_ss는 약 80%에 도달하며, 이는 영역이 0에 가까운 곳에서 고정밀도로 형성됨을 시사한다.
• 짝수 점유 수 모트 루프(n=2,4,6)로의 원자 재분포를 고려한 식 (3)의 현상학적 모델은 조정 가능한 매개변수가 없이 측정된 스핀 분포 ρ₀를 정확히 예측한다.
• 모델의 예측은 π/2 스핀 회전 전후의 실험 데이터와 모두 일치하며, q=0 근처에서 두 데이터 세트가 ρ₀ ≈ 1/3로 수렴함을 확인하여 회전 대칭성과 스핀 싱게릿 특성을 검증한다.
• 최대로 달성 가능한 스핀 싱게릿 분율은 약 90%로 제한되며, 이는 약 10%의 원자가 스핀 싱게릿 형성이 불가능한 n=1 모트 루프에 남아 있기 때문이다.
• 결과적으로, 입자 격자는 스핀어 기체에서 스핀 싱게릿 상태에 비단절적으로 신속하게 접근할 수 있도록 하며, 이전의 매개변수 공간 및 준비 시간 제약 조건을 극복함을 보여준다.