[논문 리뷰] The time-domain Landau-Zener-Stuckelberg-Majorana interference in optical lattice clock

Weixin Liu, Tao Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 19.

Advanced Frequency and Time Standards참고 문헌 52인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 1D $^{87}$Sr 광학 격자 시계(Optical Lattice Clock, OLC)에서 '마법의' 파장 근처에서 격자 주파수를 주기적으로 변조함으로써 시간 영역 Landau-Zener-St"uckelberg-Majorana (LZSM) 간섭을 관찰하기 위한 이론적 프레임워크를 제안한다. 아디아바틱-임펄스 모델과 플로케트 수치 시뮬레이션을 사용하여, 열적 디코herence가 존재하는 상황에서도 빠른 및 느린 통과 영역 모두에서 단계적인 인구 구조를 가진 강력한 라비 유사 진동을 입증한다. 주요 기여는 이전에 공명성 제한으로 인해 달성되지 못했던 원자 시스템에서 실험적으로 LZROs를 관찰할 수 있는 실현 가능한 길잡이를 제공한다는 것이다.

ABSTRACT

The interference between a sequence of Landau-Zener (LZ) transitions can produce Rabi oscillations(LZROs). This phenomenon is a kind of time-domain Landau-Zener-Stuckelberg-Majorana (LZSM) interference. However, experimental demonstrations of this LZSM interference induced Rabi oscillation are extremely hard due to the short coherence time of the driven quantum system. Here, we study theoretically the time-domain LZSM interference between the clock transition in one-dimensional (1D) Sr-87 optical lattice clock (OLC) system. With the help of both the adiabatic-impulse model and Floquet numerical simulation method, the LZROs with special step-like structure are clearly found both in fast- and slow-passage limit in the real experiment parameter regions. In addition, the dephasing effect caused by the system temperature can be suppressed with destructive interference in the slow-passage limit. Finally, we discuss the possible Bloch-Siegert shift while the pulse time is away from the half-integer and integer periods. Our work provides a clear roadmap to observe the LZROs on the OLC platform.

연구 동기 및 목표

• 1D $^{87}$Sr 광학 격자 시계(OLC) 시스템에서 시간 영역 Landau-Zener-Rabi 진동(LZROs)을 관찰할 수 있는 가능성의 입증.
• 양자 시스템에서 짧은 공명성 시간으로 인한 실험적 과제를 극복하기 위해 OLC 플랫폼에서 LZROs를 관찰할 수 있는 매개변수 영역을 규명하는 것.
• 구동된 OLC 시스템에서 LZSM 간섭, 온도에 의한 디코herence, 그리고 블로흐-지르베르트 시프트 간의 상호작용 분석.
• 기존 또는 향후 가까운 시일 내에 구현 가능한 실험 장치를 활용하여 원자 시스템에서 LZROs의 이론적 실현 길잡이 제공.

제안 방법

• 시간 주기적 변조를 포함한 광자 보조 Landau-Zener-St"uckelberg-Majorana (LZSM) 해밀토니안을 사용한 구동된 OLC 시스템의 이론적 모델링.
• 시간 진동과 효과적인 라비 주파수를 예측하는 데 분석적으로 사용되는 아디아바틱-임펄스 모델(AIM)의 적용.
• 무한차원 플로케트 해밀토니안(161개 블록으로 잘라냄)의 수치 대각화를 통한 시스템 동역학 정확한 시뮬레이션을 위한 플로케트 이론의 활용.
• 빠른 및 느린 통과 영역 모두에서 고정밀 플로케트 시뮬레이션과 AIM 예측을 비교하여 분석적 프레임워크의 타당성 검증.
• 느린 통과 한계에서의 온도 효과를 디코herence를 통해 포함하여 간섭의 파괴로 인한 억제 효과 분석.
• 비정수 및 반정수 주기의 구동에 의한 주파수 시프트 분석, 블로흐-지르베르트 유사 시프트 포함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 실험 조건 하에서 1D $^{87}$Sr 광학 격자 시계에서 시간 영역 LZSM 간섭이 관측 가능한 라비 유사 진동(LZROs)을 생성할 수 있는가?
• RQ2 열적 디코herence는 LZROs의 명암도와 공명성에 어떤 영향을 미치며, 느린 통과 영역에서 이를 완화할 수 있는가?
• RQ3 구동 주파수와 진폭은 LZROs에서 단계적인 인구 진동을 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 정수 및 반정수 주기에서의 이격은 효과적인 라비 주파수에 어떤 영향을 미치며, 블로흐-지르베르트 유사 시프트를 유도하는가?
• RQ5 아디아바틱-임펄스 모델과 플로케트 시뮬레이션 간에 LZRO 특성 예측에서 어느 정도 일치하는가?

주요 결과

• 플로케트 시뮬레이션을 통해 빠른 및 느린 통과 영역 모두에서 LZROs의 특징적인 단계적 인구 진동이 명확히 관측되며, 해상도가 높은 사이드밴드 근사 이론을 초월한 상황에서도 성립한다.
• 아디아바틱-임펄스 모델은 LZROs의 효과적인 라비 주파수를 정확하게 예측하며, 수치적 플로케트 결과와 뛰어난 일치를 보인다.
• 느린 통과 한계에서 열적 디코herence는 간섭의 파괴로 인해 억제되어 LZROs의 명암도가 향상된다.
• 느린 통과 영역에서 반정수 주기에서도 효과적인 라비 주파수는 아디아바틱 기저에서 유도된 해석적 표현과 일치한다.
• 비정수 및 반정수 주기의 구동은 효과적인 라비 주파수에 측정 가능한 블로흐-지르베르트 유사 시프트를 유도하며, 실험 캘리브레이션 시 이를 고려해야 한다.
• 본 연구는 기존 또는 향후 가까운 시일 내에 실현 가능한 실험 장치를 활용하여 광학 격자 시계에서 LZROs의 실험적 관측을 위한 검증된 이론적 길잡이를 제공한다.