[논문 리뷰] Observation of the Sign Reversal of the Magnetic Correlation in a Driven-Dissipative Fermi Gas in Double Wells

Kantaro Honda, Shintaro Taie외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 26.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 광학 격자 내 이중우물에서 구동-소산되는 초냉각 페르미 가스에서 광분자화를 통한 제어된 입체 이체 손실을 이용해 자화 상관관계의 부호 반전을 실험적으로 입증한다. 이는 반자성에서 강자성으로의 전이를 보여주며, 관측된 강자성 스핀 상관관계는 장시간에 걸친 딕-유사 다체 상태의 형성과 일치한다. 이는 개방된 양자 시스템에서 소산을 이용한 양자 자성의 공학적 구현을 보여준다.

ABSTRACT

We report the observation of the sign reversal of the magnetic correlation from antiferromagnetic to ferromagnetic in a dissipative Fermi gas in double wells, utilizing the dissipation caused by on-site two-body losses in a controlled manner. We systematically measure dynamics of the nearest-neighbor spin correlation in an isolated double-well optical lattice, as well as a crossover from an isolated double-well lattice to a one-dimensional uniform lattice. In a wide range of lattice configurations over an isolated double-well lattice, we observe a ferromagnetic spin correlation, which is consistent with a Dicke type of correlation expected in the long-time limit. This work demonstrates the control of quantum magnetism in open quantum systems with dissipation.

연구 동기 및 목표

• 공학적 소산이 페르미 가스에서 자화 상관관계의 부호 반전을 유도하는 데 미치는 영향을 조사하는 것.
• 현장 이체 손실을 포함한 구동-소산 페르미-허브라드 시스템을 실험적으로 실현하고 제어하는 것.
• 스핀 상관관계 측정을 통해 개방된 양자 시스템에서 딕-유사 상관관계의 발생을 탐색하는 것.
• 제어된 소산 조건 하에서 고립된 이중우물에서 1차원 균일 격자로의 전이를 체계적으로 연구하는 것.
• 이전에는 간접적으로 추론된 바 있었지만, 직접적인 실험적 증거를 제시하여 소산 시스템에서 강자성 스핀 상관관계를 입증하는 것.

제안 방법

• 실험은 조절 가능한 광학 슈퍼격자를 이용해 173Yb의 6성분 비가역성 페르미 가스를 로딩하여 디머라이즈된 격자와 1차원 균일 격자를 실현한다.
• 현장 이체 손실은 광분자화(PA) 레이저를 통해 유도되며, 이는 특별히 쌍순서 상태의 쌍을 선택적으로 제거함으로써 스핀 상관관계를 수정한다.
• 근접한 이웃 스핀 상관관계의 동역학은 시간에 따른 비행(STO) 영상과 함께 스핀 에코 기법을 사용하여 측정하며, 상관관계 진폭을 추출한다.
• 시스템은 리드블라드 마스터 방정식을 사용한 소산성 페르미-허브라드 해밀토니안으로 모델링되며, 이중체 손실은 연산자 $ \hat{L}_{j\sigma\sigma'} = \sqrt{2\gamma} \hat{c}_{j\sigma} \hat{c}_{j\sigma'} $ 로 기술된다.
• 손실률 $ \gamma $ 는 PA 레이저의 강도와 지속 시간을 조절하여 소산 강도를 체계적으로 변화시킬 수 있다.
• 고립된 이중우물에서 1차원 격자로의 전이는 장파장 격자 깊이를 조절하여 상호 이중우물 터널링을 제어함으로써 실현된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공학적 소산이 페르미 가스에서 반자성에서 강자성으로의 자화 상관관계 부호 반전을 일으킬 수 있는가?
• RQ2 현장 이체 손실의 존재가 격자 내에서 딕-유사 얽힌 상태의 형성에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 강자성 스핀 상관관계의 발생은 격자 기하학적 구조와 소산 강도에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 제어된 소산 조건 하에서 1차원 균일 격자에서 강자성 스핀 상관관계를 관측할 수 있는가?
• RQ5 스핀 상관관계의 동역학을 통해 개방된 양자 시스템에서 장수명의 딕 상태 형성 여부를 추론할 수 있는가?

주요 결과

• 고립된 이중우물 격자에서 정규화된 STO 진폭 $ A $ 는 $ -0.042(5) $ 에 도달하여 반자성에서 강자성으로의 명백한 부호 반전을 나타낸다.
• 관측된 강자성 상관관계는 이론 모델이 예측한 바와 같이 장시간에 걸친 딕-유사 상태의 한계에서 일관되며, 이를 뒷받침한다.
• $ s_{\text{long}}^{(z)} = 0 $ 인 1차원 균일 격자에서 STO 진폭은 $ A = -0.010(6) $ 로 음수이며 통계적으로 유의미하여 강자성 질서를 확인한다.
• 더 깊은 장파장 격자를 가진 1차원 균일 격자에서 $ A = -0.023(5) $ 로 나타나 강자성 상관관계의 지속성을 추가로 확인한다.
• 낮은 장격자 깊이에서 강자성 상관관계가 억제되는 것은 PA 조사 중 상호 이중우물 터널링이 손실에 의한 상관관계 형성과 경쟁하기 때문으로 기인된다.
• 상호 이중우물 터널링률 $ 2t_{\text{PA}}t/\hbar $ 에 따른 스핀 상관관계의 측정 결과는 이론적 기대와 정성적으로 일치하며, 터널링과 소산 간의 경쟁을 제어할 수 있음을 나타낸다.