[논문 리뷰] Probing site-resolved correlations in a spin system of ultracold molecules

Lysander Christakis, Jason S. Rosenberg외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 19.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 초냉각 23Na87Rb 분자의 이황색 격자에서 양자 상관관계를 입자별로 해상도를 높여 측정하는 데에 양자 가스 현미경을 사용한다. 스핀-1/2 자유도를 회전 상태에 인코딩하고, 양극성 상호작용을 설계함으로써, 등방성 및 비등방성 스핀 모델에서 열화 과정 동안 스핀 상관관계의 실시간 역학을 관측한다. 단일 위치에서의 고정밀도 검출을 달성하고, 단일 진폭 스케일링 인자로 이론 예측을 검증한다.

ABSTRACT

Synthetic quantum systems with interacting constituents play an important role in quantum information processing and in elucidating fundamental phenomena in many-body physics. Following impressive advances in cooling and trapping techniques, ensembles of ultracold polar molecules have emerged as a promising synthetic system that combines several advantageous properties. These include a large set of internal states for encoding quantum information, long nuclear and rotational coherence times and long-range, anisotropic interactions. The latter are expected to allow the exploration of intriguing phases of correlated quantum matter, such as topological superfluids, quantum spin liquids, fractional Chern insulators and quantum magnets. Probing correlations in these phases is crucial to understand their microscopic properties, necessitating the development of new experimental techniques. Here we use quantum gas microscopy to measure the site-resolved dynamics of quantum correlations in a gas of polar molecules in a two-dimensional optical lattice. Using two rotational states of the molecules, we realize a spin-1/2 system where the particles are coupled via dipolar interactions, producing a quantum spin-exchange model. Starting with the synthetic spin system prepared far from equilibrium, we study the evolution of correlations during the thermalization process for both spatially isotropic and anisotropic interactions. Furthermore, we study the correlation dynamics in a spin-anisotropic Heisenberg model engineered from the native spin-exchange model using Floquet techniques. These experiments push the frontier of probing and controlling interacting systems of ultracold molecules, with prospects for exploring new regimes of quantum matter and characterizing entangled states useful for quantum computation and metrology.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 극성 분자로 구성된 합성 스핀 시스템에서 입자별로 해상도를 높인 실시간 양자 상관관계 역학을 탐색한다.
• 등방성 및 비등방성 장거리 상호작용을 갖는 스핀 시스템에서의 열화 과정을 연구한다.
• 기본적인 스핀 교환 상호작용을 이용해 푸앵카르-공학된 비등방성 헤이젠베르크 모델을 구현하고 검증한다.
• 미래의 양자 시뮬레이션 및 계산을 위해, 고밀도이고 강하게 상관관계가 있는 분자 양자 기체에서 고정밀 단일 분자 검출을 가능하게 한다.

제안 방법

• 고 NA 목표를 갖춘 양자 가스 현미경을 통해 2D 광학 격자에서 단일 분자 발광 영상 촬영이 가능해진다.
• 23Na87Rb 분자의 두 회전 상태를 사용하여 스핀-1/2 자유도를 인코딩하고, 장거리 양극성 상호작용을 갖는 합성 스핀 시스템을 형성한다.
• 순환 STIRAP를 통해 Feshbach 분자에서 회전-진동 기저 상태로 높은 정밀도로 분자를 전이한다.
• 시스템은 평형 상태에서 멀리 초기화되고, 시간에 따라 변화하는 입자별 상관관계 함수는 양자 및 불규칙성 평균 밀도-밀도 상관관계를 통해 측정된다.
• 이론적 시뮬레이션은 주기적 경계 조건을 갖는 유한 격자에서 XY 및 XXZ 해밀토니안의 정확한 대각화를 사용한다. 여기에는 현실적인 장거리 상호작용이 포함된다.
• 상관관계 함수는 국소 밀도가 다양한 격자 패치에 대해 밀도 가중 평균을 취함으로써 계산되며, 실험적 반경 밀도 프로파일과 일치시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초냉각 분자로 이루어진 양극성 스핀 시스템에서 열화 과정 동안 양자 상관관계는 실시간으로 어떻게 진화하는가?
• RQ2 입자별로 해상도를 높인 상관관계 역학에서 스핀 비등방성과 장거리 상호작용의 특징은 무엇인가?
• RQ3 푸앵카르-공학을 통해 기존의 스핀 교환 상호작용을 조절 가능한 비등방성 헤이젠베르크 모델로 얼마나 잘 전환할 수 있는가?
• RQ4 현실적인 장거리 상호작용과 비균일한 밀도 프로파일을 고려한 이론 모델은 실험 상관관계 데이터를 얼마나 잘 재현하는가?

주요 결과

• 실험은 초냉각 분자 2D 격자에서 고정밀도 및 고공간 해상도로 스핀 상관관계의 입자별로 해상도를 높인 검출을 달성한다.
• 등방성 및 비등방성 스핀 모델에서 측정된 상관관계 역학은 단일 진폭 스케일링 인자(1.20(4)에서 1.27(7))를 사용한 이론적 시뮬레이션과 뛰어난 일치를 보인다.
• 상관관계 함수는 장거리 양극성 상호작용의 명확한 특징을 보이며, 이론적 예측과 일치하는 공간적 감쇠를 보인다.
• 푸앵카르-공학된 비등방성 헤이젠베르크 모델은 실험 데이터에서 예상되는 비등방성 상관관계 패턴을 성공적으로 재현한다.
• 이론적 시뮬레이션은 밀도 가중 확률로 패치를 샘플링함으로써 비균일한 밀도를 고려하여 실험 데이터와의 일치를 향상시킨다.
• 진폭 스케일링 인자 값은 단지 1에서 약간 벗어나 있다 (예: 그림 4f-h에서 0.48(3)), 이는 아마도 밀도 프로파일 모델링의 부정확성 또는 데이터 수집 중 느린 원자 수 변화 때문일 것이다.