[논문 리뷰] Observation of spin-space quantum transport induced by an atomic quantum point contact

K. Ono, Toshiya Higomoto외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 18.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 47인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 초냉각 173Yb 원자를 두 개의 오비탈을 가진 광학 격자에 봉인한 초냉각 원자 QPC에서 스핀 공간 양자 운반을 실험적으로 구현한다. 국소적 불순물에 의한 스핀 의존성 위상 이득을 활용하여 실제 공간 대신 합성 스핀 공간에서의 양자 운반을 유도함으로써, 랑데어-뷔트리커 공식에 의해 지배되는 스핀 전환 동역학을 관측한다. 주요 결과는 라마치 간섭측정을 통해 스핀 공간 전류를 직접 측정한 것으로, 자장 제어를 통해 운반률을 조절할 수 있고, 135 온스에서 효과적인 1차원 산란 길이가 최대 2667aB에 이르렀다.

ABSTRACT

Quantum transport is ubiquitous in physics. So far, quantum transport between terminals has been extensively studied in solid state systems from the fundamental point of views such as the quantized conductance to the applications to quantum devices. Recent works have demonstrated a cold-atom analog of a mesoscopic conductor by engineering a narrow conducting channel with optical potentials, which opens the door for a wealth of research of atomtronics emulating mesoscopic electronic devices and beyond. Here we realize an alternative scheme of the quantum transport experiment with ytterbium atoms in a two-orbital optical lattice system. Our system consists of a multi-component Fermi gas and a localized impurity, where the current can be created in the spin space by introducing the spin-dependent interaction with the impurity. We demonstrate a rich variety of localized-impurity-induced quantum transports, which paves the way for atomtronics exploiting spin degrees of freedom.

연구 동기 및 목표

• 냉각 원자 시스템에서 국소적 불순물을 QPC로 활용하여 합성 스핀 공간에서의 양자 운반을 실현하기.
• 불순물 산란에 의해 유도되는 스핀 의존성 위상 이득이 효과적인 스핀 공간 전류로 이어지는 것을 입증하기.
• 공간적으로 분리된 도핑 전도체 대신 스핀 자유도를 활용하여 다단계 운반의 양자 시뮬레이션 플랫폼 제공하기.
• 스핀 양자 얽힘과 위상 차이가 운반 동역학에 미치는 영향을 분석하여 비평형 앤더슨 수직직교성 고갈 현상과 관련된 연구 수행하기.
• 초냉각 페르미온과 준안정 불순물을 이용하여 합성 스핀 차원에서의 랑데어-뷔트리커 공식을 실험적으로 검증하기.

제안 방법

• 1차원 상호작용 페르미 가스(1S0 상태, |g⟩)와 1차원 준정적 광학 퍼텐셜 내에 국소화된 3P0 준안정 불순물(|e⟩)을 설계하였다.
• 라마치 펄스를 이용해 초위상 상태 |+⟩ = (|↑⟩ + |↓⟩)/√2를 생성하여 스핀 공간 운반을 시작하였다.
• 원자들이 국소적 불순물과 산란하는 동안 시간 지연(홀드 타임) 동안 스핀에 따라 다른 위상 이득 δσ(ε)를 획득하였다.
• 스핀 전환 확률을 측정하기 위해 OSG(광학적 상태 준비 및 읽기) 빛을 사용한 라마치 간섭측정을 통해 최종 스핀 상태를 측정하였다.
• 랑데어-뷔트리커 공식을 사용하여 위상 이득 차이 δ↑(ε) − δ↓(ε)로부터 스핀 공간 전류의 투과도 Tθ=π/2(ε)를 계산하였다.
• 자장에 따라 변화하는 위상 이득과 효과적인 1차원 산란 길이 a1D를 추출하기 위해 (0+1)차원 시스템에서의 리플만-슈바이거 방정식을 수치적으로 해석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 국소적 불순물을 QPC로 활용하여 공간적으로 분리된 도핑 전도체 없이도 스핀 공간에서 순수하게 양자 운반을 유도할 수 있는가?
• RQ2 자장이 효과적인 1차원 산란 길이를 어떻게 조절하고, 그로 인해 스핀 공간 운반 동역학이 어떻게 변화하는가?
• RQ3 δ↑(ε) − δ↓(ε)의 위상 차이가 스핀 전환 확률과 효과적인 전류 생성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 합성 스핀 차원에서의 시스템 운반 행동이 랑데어-뷔트리커 공식의 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 운반에 의해 유도된 스핀 동역학을 통해 국소적 불순물의 스핀 양자 얽힘을 탐측하여 비평형 양자 효과를 연구할 수 있는가?

주요 결과

• 라마치 간섭측정을 통해 스핀 공간 양자 운반을 성공적으로 관측하였으며, 스핀 전환 확률 sin²(δ↑(ε) − δ↓(ε))가 직접적으로 운반 전류를 측정하였다.
• 135 온스에서 ∆mF = 5일 경우 효과적인 1차원 산란 길이가 a1D/aB = 2667에 도달하여 45 온스보다 훨씬 높은 운반 동역학을 보였다.
• l = 1(홀드 웨이브 산란)일 때 δ↑(ε) − δ↓(ε)의 위상 이득 차이가 135 온스에서 45 온스보다 더 크게 나타나, 더 빠른 운반 속도가 설명되었다.
• 랑데어-뷔트리커 공식을 사용한 운반 동역학의 수치 시뮬레이션 결과 실험 데이터와 양호한 일치를 보였으며, 홀드 타임이 45 ms까지 증가함에 따라 ∆N/N가 변화하는 경향을 보였다.
• 자장 제어를 통해 산란 위상 이득과 효과적인 상호작용 강도를 조절함으로써 운반을 조절 가능한 시스템을 확보하였다.
• 운반 전류는 I₊→₋ = Nimp ∫ dε Tθ=π/2(ε) [f(ε − μ+) − f(ε − μ−)]로 정량적으로 기술되었으며, 실제 공간 양자 운반의 스핀 공간 유사체임을 확인하였다.