[논문 리뷰] Dipolar quantum solids emerging in a Hubbard quantum simulator

Lin Su, Alexander Douglas외 11명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 01.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 73인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 조절 가능한 장거리 이중극자 상호작용을 갖는 초냉각 자기성 에르븀 원자를 사용한 허브버 양자 시뮬레이터에서 이중극자 양자 고체의 발생을 보여준다. 외부 자기장에 의해 비대칭적인 이중극자 상호작용을 설계하고 양자 기체 현미경을 활용하여 초순수성에서 다양한 스트라이프 순서형 및 셰커보드 순서형 고체로의 양자 상전이를 직접 관찰하였으며, 준안정 상태와 자발적 대칭성 붕괴를 포함하여, 장거리 및 비대칭 상호작용을 갖는 강한 상관 양자물질을 시뮬레이션할 수 있는 플랫폼을 구축하였다.

ABSTRACT

In quantum mechanical many-body systems, long-range and anisotropic interactions promote rich spatial structure and can lead to quantum frustration, giving rise to a wealth of complex, strongly correlated quantum phases. Long-range interactions play an important role in nature; however, quantum simulations of lattice systems have largely not been able to realize such interactions. A wide range of efforts are underway to explore long-range interacting lattice systems using polar molecules, Rydberg atoms, optical cavities, and magnetic atoms. Here, we realize novel quantum phases in a strongly correlated lattice system with long-range dipolar interactions using ultracold magnetic erbium atoms. As we tune the dipolar interaction to be the dominant energy scale in our system, we observe quantum phase transitions from a superfluid into dipolar quantum solids, which we directly detect using quantum gas microscopy with accordion lattices. Controlling the interaction anisotropy by orienting the dipoles enables us to realize a variety of stripe ordered states. Furthermore, by transitioning non-adiabatically through the strongly correlated regime, we observe the emergence of a range of metastable stripe-ordered states. This work demonstrates that novel strongly correlated quantum phases can be realized using long-range dipolar interaction in optical lattices, opening the door to quantum simulations of a wide range of lattice models with long-range and anisotropic interactions.

연구 동기 및 목표

• 수치적 시뮬레이션으로는 난이도가 높은 광학 격자에서 장거리 이중극자 상호작용을 갖는 강한 상관 양자상태를 실현하고 연구하기 위해.
• 이전의 양자 시뮬레이션에서 국소 상호작용의 한계를 극복하기 위해 초냉각 자기성 원자를 사용하여 조절 가능하고 비대칭적인 장거리 이중극자 상호작용을 도입하기 위해.
• 통제 가능하고 조절 가능한 시스템에서 위치 해상도를 갖춘 영상 촬영을 통해 스트라이프 및 셰커보드 순서와 같은 양자 고체의 발생을 직접 탐색하기 위해.
• 초순수성과 이중극자 고체 상 사이의 양자 상전이, 준안정 상태 및 대칭성 붕괴 현상을 연구하기 위해.
• 전이 금속 디칼코겐화합물과 스핀 얼음과 같은 유한 범위의 비대칭 상호작용을 갖는 복잡한 양자 물질을 시뮬레이션할 수 있는 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 장거리 이중극자 상호작용을 갖는 확장된 보즈-허브버 모델을 초냉각 에르븀 원자로 실현하기 위해 광학 격자에 사용함.
• 외부 자기장을 적용하여 자성 이중극자를 정렬하고 이중극자 상호작용의 비대칭성을 조절하여 상호작용의 범위와 방향성을 제어함.
• 작은 간격의 반사 격자에서 광학적 압축 격자(accordion lattice)를 통해 단일 스타일의 영상 촬영을 가능하게 하기 위해 광학적 압축 격자를 사용함.
• 단일 스타일 영상에서 밀도-밀도 상관 함수와 구조 인자 측정을 통해 고체 순서를 규명하고 상관 길이를 정량화함.
• 시스템의 온도를 추정하고 실험 데이터와 비교하기 위해 양자 몬테카를로 시뮬레이션을 사용함으로써 순서형 상의 존재를 확인함.
• 스트라이프 순서의 시간적 안정성과 자기상관 함수 분석을 통해 고체 상에서의 자발적 대칭성 붕괴를 확인함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 조절 가능한 장거리 및 비대칭 상호작용을 갖는 허브 양자 시뮬레이터에서 이중극자 양자 고체가 발생할 수 있는가?
• RQ2 비대칭적인 이중극자 상호작용은 강한 상관 시스템에서 스트라이프 순서형 및 셰커보드 순서형 상의 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비단조화적 램프가 준안정 스트라이프 순서형 상태의 발생에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 이중극자 양자 고체 상에서 자발적 대칭성 붕괴는 어떻게 관측되고 확인되는가?
• RQ5 관측된 이중극자 양자 고체의 온도와 수명은 얼마이며, 이는 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 저자들은 초순수성에서 장거리 이중극자 상호작용에 의해 안정화된 반-채움 상태의 이중극자 양자 고체로의 양자 상전이를 직접 관찰하였다.
• 스트라이프 순서형 고체와 셰커보드 순서형 고체가 관측되었으며, 스트라이프 고체의 경우 x방향으로 상관 길이 2.22(5) 사이트, y방향으로 1.21(15) 사이트이며, 셰커보드 고체의 경우 등방적으로 0.82(5) 사이트였다.
• 스트라이프 고체의 유한한 수명은 약 1.0초, 셰커보드 고체의 수명은 0.7초로 나타나 현재 실험 조건에서 준안정성을 나타내었다.
• 단일 스타일 영상에서 스트라이프 순서의 이중체 분포와 시간에 따른 오버랩 값의 자기상관이 없음을 통해 스트라이프 고체에서 자발적 대칭성 붕괴가 확인되었다.
• 양자 몬테카를로 시뮬레이션과의 비교를 통한 온도 추정 결과, 스트라이프 고체는 0.8 nK, 셰커보드 고체는 0.7 nK였으며, 임계 온도는 약 0.5 nK였다.
• 비단조화적 램프를 통해 강한 상관 영역을 빠르게 통과시킬 경우 준안정 스트라이프 순서형 상태가 발생하여 비평형 양자상에 접근할 잠재력을 보여주었다.