[논문 리뷰] Spin-Nematic Squeezing in a Quantum Gas

C. D. Hamley, Corey Gerving외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 07.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 27인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 스핀-1 원자 보즈-아인슈타인 응축체에서 나선형-스핀 상전이를 거쳐 편자된 상태로의 양자상전이를 겪은 후 스핀-나선형 스트레칭을 실험적으로 입증하였으며, 표준 양자 한계 이하 −8.3 ± 0.7 dB의 군집 스트레칭을 달성하였다 (노이즈 보정 후 −10.3 ± 0.9 dB), 이는 SU(3) 스핀 시스템에서의 스트레칭 관측 사례로 처음으로, 양자 향상된 자력계측 기술을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Exotic types of magnetic order and phases resulting from collective behaviour of quantum spins are an important focus of many-body physics. Nematic or quadrupolar ordering of spins is one such example [1], which breaks O(3) rotational symmetry, has no magnetic moment and is analogous to the well-known ordering of molecules in nematic phases of liquid crystals [2]. Spin nematic phases have been posited for a variety of condensed matter systems including frustrated quantum magnets [3–5], and heavyfermion [6] and iron-based superconductors [7], although they are challenging to detect directly [8]. Spin-1 atomic Bose-Einstein condensates [9– 11] provide a natural system to investigate spinnematic quantum phases with a key advantage that the nematic tensor is directly measurable. Here, we measure spin-nematic fluctuations in a spin-1 condensate following a quench through a nematic to ferromagnetic quantum phase transition and observe quadrature squeezing in the variance of the fluctuations up to −8.3 −0.7 dB (−10.3 −0.9 dB corrected for detection noise) below the standard quantum limit. Previous work in atomic squeezing has employed two-level systems exhibiting SU(2) symmetry on the Bloch sphere [12, 13], while the squeezing observed here is an example of squeezing in an SU(3) system. These results demonstrate spin-nematic dynamics in the quantum regime and could form the basis of a quantum-enhanced magnetometer.

연구 동기 및 목표

• 초저온 원자 기체에서 스핀-나선형 양자 상을 연구하고자 하며, 이는 고체계에서의 관측이 어려운 분야이다.
• 나선형에서 편자된 상태로의 양자상전이를 겪은 후의 나선형 질서의 동역학을 탐구하고자 한다.
• 스핀-나선형 텐서 변동에서 측정 가능한 양자 스트레칭을 입증하고자 하며, 이는 SU(3) 스핀 시스템에서 다체 양자 얽힘의 핵심 징후이다.
• 원자 기체에서 스핀-나선형 상관관계를 활용한 양자 향상된 센서링 플랫폼을 구축하고자 한다.

제안 방법

• 초기 상태로 나선형 상에 있는 스핀-1 보즈-아인슈타인 응축체를 초전도 상태의 하이퍼피니 상태의 중첩 상태로 준비함으로써 시스템을 초기화하였다.
• 상호작용 강도를 조절하여 양자상전이를 통과하는 순간을 조절함으로써 시스템을 나선형에서 편자된 상태로 전이시켰다.
• 다양한 정렬 축을 기준으로 정사영 측정을 수행하여 스핀 공분산 행렬을 재구성하였다.
• 집합 스핀 연산자의 횡방향 평균제곱편차를 분석하여 군집 스트레칭을 정량화하였으며, 표준 양자 한계와 비교하였다.
• 측정 효율성의 결함을 보정하기 위해 노이즈 보정 기법을 적용하여 진정된 양자 노이즈 감소를 추출하였다.
• 스핀-1 시스템의 SU(3) 대칭성을 활용하여 집합 스핀 동역학을 기술하고, 나선형 질서 변수를 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자상전이를 겪은 후의 양자 기체에서 스핀-나선형 변동을 생성하고 측정할 수 있는가?
• RQ2 기존의 SU(2) 이중준위 시스템과 비교해 볼 때, SU(3) 스핀 시스템에서 군집 스트레칭은 어느 정도의 수준에 도달할 수 있는가?
• RQ3 측정된 스트레칭은 시스템의 기초적인 나선형 질서와 다체 양자 얽힘과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ4 관측된 스핀-나선형 스트레칭은 양자 자력계측기의 감도 향상에 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 스핀-1 응축체의 스핀-나선형 변동에서 표준 양자 한계 이하 −8.3 ± 0.7 dB의 군집 스트레칭이 관측되었다.
• 측정 노이즈를 보정한 결과, 스트레칭은 −10.3 ± 0.9 dB로 측정되어 표준 양자 한계를 초월하는 강한 양자 상관관계를 시사한다.
• 이 연구는 SU(3) 스핀 시스템에서의 스트레칭 관측 사례로 처음으로, 이전의 원자 스트레칭 실험에서 사용된 전통적인 SU(2) 프레임워크를 넘어서는 의미를 지닌다.
• 결과는 양자 영역에서 강한 다체 얽힘과 공명적인 스핀-나선형 동역학의 존재를 확인한다.
• 관측된 스트레칭은 나선형-편자 상태로의 양자상전이를 겪은 후의 집합적 동역학에서 기인한다.
• 이러한 발견은 초저온 원자 기체에서 스핀-나선형 질서를 기반으로 한 양자 향상된 자력계측기 개발의 기초를 마련한다.