[論文レビュー] Ballistic, diffusive, and arrested transport in disordered momentum-space lattices

Fangzhao Alex An, Η. Meier+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2017

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 55被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、超低温原子を用いた合成運動量空間格子において、エンジニアリングされた動的および非対角的不純物を実現し、レーザー駆動トンネル位相の制御により、ボールスティック、拡散的、停止した輸送状態を達成した。主な貢献は、時間的に変化するトンネル位相不純物によって引き起こされる量子的から古典的への中間的移行の初観測であり、静的サイトエネルギー不純物下でのアンドリュー局在の直接的証明を併せて得たことである。

ABSTRACT

Ultracold atoms in optical lattices offer a unique platform for investigating disorder-driven phenomena. While static disordered site potentials have been explored in a number of optical lattice experiments, a more general control over site-energy and off-diagonal tunneling disorder has been lacking. The use of atomic quantum states as "synthetic dimensions" has introduced the spectroscopic, site-resolved control necessary to engineer new, more tailored realizations of disorder. Here, by controlling laser-driven dynamics of atomic population in a momentum-space lattice, we extend the range of synthetic-dimension-based quantum simulation and present the first explorations of dynamical disorder and tunneling disorder in an atomic system. By applying static tunneling phase disorder to a one-dimensional lattice, we observe ballistic quantum spreading as in the case of uniform tunneling. When the applied disorder fluctuates on timescales comparable to intersite tunneling, we instead observe diffusive atomic transport, signaling a crossover from quantum to classical expansion dynamics. We compare these observations to the case of static site-energy disorder, where we directly observe quantum localization in the momentum-space lattice.

研究の動機と目的

• 静的サイトエネルギー不純物を超える、合成次元における意図的な動的不純物の探求。
• 1次元運動量空間格子における時間変化するトンネル位相が量子輸送ダイナミクスに与える影響の調査。
• 一時的変動するトンネル位相不純物下で、量子的ボールスティック拡散から古典的拡散的輸送への移行の観測。
• 静的サイトエネルギー不純物下でのアンドリュー局在のサイト分解能観測の実証。
• エンジニアリングされたハミルトニアンノイズを用いた熱力学的および非平衡現象のシミュレーションプラットフォームの確立。

提案手法

• スペクトル的にエンジニアリングされた成分を有する反対方向に走る、遠いレーザーを用いて形成された運動量空間格子におけるボーズ＝アインシュタイン凝縮を用いる。
• 個々の2光子ブラッグ遷移に対する分光的制御を用い、トンネル幅および位相、サイトエネルギーを独立して調整する。
• 静的トンネル位相不純物を実装してボールスティック輸送を観測し、動的フラクチュエーションを介して一時的不純物を模擬する。
• 非有理的コサインポテンシャルを用いて擬似ランダムなサイトエネルギー不純物を導入し、運動量格子における静的不純物を模倣する。
• 時間分解能を有するサイト分解能の運動量分布測定を用い、拡散ダイナミクスを追跡し、輸送指数を抽出する。
• 時間平均化された位相効果を含む有効タイトバインディングハミルトニアンの数値シミュレーションと実験結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間的に変化するトンネル位相不純物は、1次元運動量空間格子における量子輸送にどのように影響を与えるか？
• RQ2 エンジニアリングされた動的不純物を用いた合成次元で、ボールスティックから拡散的輸送への移行を観測できるか？
• RQ3 静的サイトエネルギー不純物は、運動量空間格子におけるアンドリュー局在を誘発する役割を果たすか？
• RQ4 サイトエネルギーおよびトンネル位相不純物の領域で、不純度強度が増加するに従い、輸送指数（γ）はどのように変化するか？
• RQ5 エンジニアリングされ、可逆的な不純物は、量子シミュレーションプラットフォームにおいて熱フラクチュエーションをどの程度模倣できるか？

主な発見

• 静的トンネル位相不純物下では、 coherent 動的と整合する輸送指数 γ ≈ 2 のボールスティック量子拡散が観測された。
• トンネル位相がトンネル時間スケールと同等に変動する場合、γ ≈ 1 の拡散的輸送への移行が観測され、古典的拡散に類似した挙動を示した。
• 静的サイトエネルギー不純物下では、不純度が増加するに従い拡散指数が減少し、Δ/t = 5.9(1) で γ = 0.12(6) にまで低下し、ほぼ停止した輸送状態となった。
• サイト分解能の分布測定により、局在長さ ξ ≈ 1/Δ の指数的局在が確認され、Δ/t ≳ 2 の範囲でアンドリュー局在と整合的であった。
• 数値的シミュレーションでは、高い有効温度（kBT/t ≳ 1）では、急速に変動する位相の時間平均化により、輸送指数が再び γ ≈ 2 に回復することが示された。
• kBT/t ≤ 1 の実験データはシミュレーションとよく一致しており、エンジニアリングされた一時的不純物が非平衡ダイナミクスの制御可能なプローブとして有効であることを検証した。