[논문 리뷰] Synthetic dimensions in ultracold molecules: quantum strings and membranes

Bhuvanesh Sundar, Bryce Gadway외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 07.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 71인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 초냉각 극성 분자를 이용해 회전 상태를 합성 차원으로 사용함으로써 최대 수백 개의 합성 격자 위치를 실현하는 것을 제안한다. 마이크로파는 이러한 상태 간의 조정 가능한 터널링을 유도하며, 이는 위상적 밴드 구조의 설계와 강한 두극자 상호작용에서의 자발적 차원 감소를 유도하여 양자 스트링 또는 막을 형성하게 하며, 이들에서 나타나는 잠재적 응집체는 회전 상태 분포 측정을 통해 감지 가능하다.

ABSTRACT

Synthetic dimensions alter one of the most fundamental properties in nature, the dimension of space. They allow, for example, a real three-dimensional system to act as effectively four-dimensional. Driven by such possibilities, synthetic dimensions have been engineered in ongoing experiments with ultracold matter. We show that rotational states of ultracold molecules can be used as synthetic dimensions extending to many - potentially hundreds of - synthetic lattice sites. Microwaves coupling rotational states drive fully controllable synthetic inter-site tunnelings, enabling, for example, topological band structures. Interactions leads to even richer behavior: when molecules are frozen in a real space lattice with uniform synthetic tunnelings, dipole interactions cause the molecules to aggregate to a narrow strip in the synthetic direction beyond a critical interaction strength, resulting in a quantum string or a membrane, with an emergent condensate that lives on this string or membrane. All these phases can be detected using measurements of rotational state populations.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 양자 시스템에서 극성 분자의 회전 상태를 활용해 대규모 합성 차원을 실현하기 위해.
• 마이크로파로 구동되는 회전 상태 간 전이가 완전히 조절 가능한 합성 격자 터널링을 생성할 수 있음을 보여주기 위해.
• 장거리 두극자 상호작용이 합성 격자에서 형성된 회전 상태에서 자발적 차원 감소가 일어나 양자 스트링 또는 막으로 이어지는지 탐색하기 위해.
• 이 낮은 차원의 구조상에 하드 콘덴세이트가 어떻게 나타나는지 예측하기 위해.
• 현재 실험에서 실현 가능한 검출 기반으로서 회전 상태 분포 측정을 통한 검출 프로토콜 제공하기 위해.

제안 방법

• 초냉각 극성 분자의 회전 상태를 합성 격자의 위치로 사용하여 최대 수백 개의 격자 위치로 확장하기.
• 제어 가능한 진폭, 위상, 주파수를 갖는 공 resonant 마이크로파를 이용해 격자 간 터널링을 유도하기.
• 선택된 회전 만반에서의 전이 외부 전이를 억제하기 위해 정적 전기장을 적용하여 효과적인 고립을 확보하기.
• 조절 가능한 터널링과 온사이트 포텐셜을 갖는 합성 단입자 해밀토니안을 사용해 시스템을 모델링하기.
• 실공간 내 분자 간 장거리 두극자-두극자 상호작용을 포함하여 다체 효과를 유도하기.
• 클러스터 평균장 이론과 자성해를 사용해 초류체 상과 편미러, 아벨리안이 아닌 이징 anyonic 상태를 식별하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초냉각 극성 분자의 회전 상태를 사용해 최대 수백 개의 격자 위치를 갖는 대규모 합성 차원을 실현할 수 있는가?
• RQ2 마이크로파로 제어하는 회전 상태 전이가 합성 터널링과 온사이트 포텐셜의 완전한 조절 가능성을 어떻게 보장하는가?
• RQ3 합성 격자에서 회전 상태를 기반으로 형성된 시스템에서 두극자 상호작용이 강력할 경우 어떤 다체 상이 나타나는가?
• RQ4 이 시스템에서 두극자 상호작용으로 인해 자발적 차원 감소가 일어나 양자 스트링 또는 막이 형성될 수 있는가?
• RQ5 현재 실험에서 합성 스트링 또는 막 상에 나타나는 잠재적 응집체를 감지하기 위해 어떤 서명을 사용할 수 있는가?

주요 결과

• 초냉각 극성 분자의 회전 상태는 최대 수백 개의 격자 위치를 갖는 합성 차원을 형성할 수 있으며, 이는 대규모 합성 시스템의 실현을 가능하게 한다.
• 마이크로파로 유도된 회전 상태 간 터널링은 합성 단입자 해밀토니안의 완전한 제어를 가능하게 하며, 위상적 밴드 구조의 설계도 가능하다.
• 강한 두극자 상호작용 영역에서는 분자들이 합성 차원에서 좁은 스트립으로 자발적으로 집합하여 양자 스트링 또는 막을 형성한다.
• 이 시스템은 스트링 또는 막 상에 하드 콘덴세이트가 존재하며, 이는 회전 상태 분포 측정을 통해 감지 가능하다.
• 자성해를 통한 해석 결과, 비편미러 및 편미러 초류체 상이 존재하며, 편미러 상은 물리적 부분공간에서 비아벨리안 이징 anyonic 오더에 해당한다.
• 클러스터 평균장 계산 결과 최저 변분 에너지가 도출되며, 이는 예측된 상의 안정성을 확인하고 간단한 근사법이 정성적 분석에 적합함을 검증한다.