[논문 리뷰] Observation of metastability in an open quantum system with long-range interactions

Lorenz Hruby, Nishant Dogra외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 07.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 광학 격자에 연결된 광학 공진기와 결합된 3차원 초냉각 87Rb 기체에서 장거리 광자 매개 상호작용이 Mott 절연체에서 밀도파로의 전이를 일으키는 비정상 상태를 관찰한다. 전반적인 결합 강도를 조절함으로써 수천 개의 원자를 포함한 터널링과 히스테리시스가 나타나며, 이는 단거리 상호작용과 장거리 상호작용 간의 경쟁으로 인한 비정상 상태를 확인한다.

ABSTRACT

We experimentally study the stability of a bosonic Mott-insulator against the formation of a density wave induced by long-range interactions, and characterize the intrinsic dynamics between these two states. The Mott-insulator is created in a quantum degenerate gas of 87-Rubidium atoms, trapped in a three-dimensional optical lattice. The gas is located inside and globally coupled to an optical cavity. This causes interactions of global range, mediated by photons dispersively scattered between a transverse lattice and the cavity. The scattering comes with an atomic density modulation, which is measured by the photon flux leaking from the cavity. We initialize the system in a Mott-insulating state and then rapidly increase the global coupling strength. We observe that the system falls into either of two distinct final states. One is characterized by a low photon flux, signaling a Mott insulator, and the other is characterized by a high photon flux, which we associate with a density wave. Ramping the global coupling slowly, we observe a hysteresis loop between the two states - a further signature of metastability. A comparison with a theoretical model confirms that the metastability originates in the competition between short- and global-range interactions. From the increasing photon flux monitored during the switching process, we find that several thousand atoms tunnel to a neighboring site on the time scale of the single particle dynamics. We argue that a density modulation, initially forming in the compressible surface of the trapped gas, triggers an avalanche tunneling process in the Mott-insulating region.

연구 동기 및 목표

• 장거리 상호작용 존재 하에서 Mott 절연체가 밀도파 형성에 얼마나 안정적인지 조사하기 위해.
• 열린 양자 시스템에서 Mott 절연체와 밀도파 상호간의 내재된 동역학을 특성화하기 위해.
• 이 시스템에서 비정상 상태의 기원과 상호작용 범위 및 결합 강도에 대한 의존성을 규명하기 위해.
• 압축 가능한 표면층에서의 초기 밀도 조절에 의해 유도된 터널링 동역학을 관측하고 정량화하기 위해.

제안 방법

• 수평 격자 산산화를 통해 3차원 광학 격자에 갇힌 87-루비듐 원자로 구성된 양자 보편 기체를 준비하고, 광학 공진기와 결합한다.
• 광자는 원자 기체와 공진기 사이에서 분산적으로 산산화되어 전역 범위의 장거리 상호작용을 매개한다.
• 공진기에서 누출되는 광자 플럭스를 통해 원자 밀도 조절을 측정하며, 이는 시스템 상태의 실시간 측정으로 기능한다.
• 전반적인 결합 강도를 빠르게 또는 천천히 램프로 조절하여 Mott 절연체와 밀도파 상호간의 전이를 유도한다.
• 전진 및 역방향 램프를 통해 결합 강도를 변화시켜 히스테리시스 루프를 측정함으로써 비정상 상태 행동을 직접적으로 확인한다.
• 이론적 모델링을 통해 관측된 비정상 상태가 단거리 현지 반발력과 장거리 공진기 매개 상호작용 간의 경쟁으로 인해 발생한다는 것을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장거리 상호작용은 Mott 절연체를 얼마나 불안정하게 만들며, 밀도파로의 전이를 어떻게 유도하는가?
• RQ2 결합 강도 램프 속도에 따라 시스템의 동역학은 어떻게 달라지며, 비정상 상태의 특징은 무엇인가?
• RQ3 전이 중 관측된 애벌랜치 터널링 과정은 무엇에 의해 유도되는가?
• RQ4 압축 가능한 표면층의 초기 밀도 조절은 Mott 절연체 핵에 집단 터널링을 어떻게 유도하는가?
• RQ5 터널링 과정에 관여하는 정량적 시간 상수와 원자 수는 얼마인가?

주요 결과

• 시스템은 두 가지 구분되는 최종 상태를 나타내며, 낮은 광자 플럭스의 Mott 절연체와 높은 광자 플럭스의 밀도파로 구성되어 있어 장거리 상호작용에 의해 유도된 상전이임을 시사한다.
• 전반적인 결합 강도를 천천히 램프로 조절할 경우 히스테리시스가 관측되어 비정상 상태 행동을 직접적으로 증명한다.
• 전이 과정에서 단일 입자 동역학의 시간 상수 범위 내에서 수천 개의 원자가 이웃 격자 위치로 터널링한다.
• 초기 밀도 조절은 갇힌 기체의 압축 가능한 표면층에 형성되며, 이는 Mott 절연체 영역에서의 애벌랜치 터널링 과정을 유도한다.
• 이론적 모델링을 통해 관측된 비정상 상태가 단거리 현지 반발력과 장거리 공진기 매개 상호작용 간의 경쟁으로 인해 발생한다는 것이 확인된다.
• 스위칭 과정 중 광자 플럭스의 변화는 급격한 증가를 보이며, 집단적 터널링 동역학의 시작을 알린다.