[논문 리뷰] High-resolution imaging and manipulation of ultracold fermions

Bruno Zimmermann, Torben Mueller외 3명|arXiv (Cornell University)|2010. 11. 03.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 초저온 6Li 페르미온을 마이크로미터 이하의 정밀도로 영상 촬영하고 조작하기 위해 双현미경 목렌스를 사용하는 고해상도 광학 장치를 제시한다. 660 nm 해상도로 국소 영상 촬영을 실현하고, 단일 위치, 2차원 격자, 고리 형상과 같은 조절 가능한 광학 디폴드 트랩을 생성하여, 터널링률이 허브드 모델의 양자 시뮬레이션에 적합한 수준이 되도록 사이트 해상도로의 로딩과 검출을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We report on the local probing and preparation of an ultracold Fermi gas on the length scale of one micrometer, i.e. of the order of the Fermi wavelength. The essential tool of our experimental setup is a pair of identical, high-resolution microscope objectives. One of the microscope objectives allows local imaging of the trapped Fermi gas of 6Li atoms with a maximum resolution of 660 nm, while the other enables the generation of arbitrary optical dipole potentials on the same length scale. Employing a 2D acousto-optical deflector, we demonstrate the formation of several trapping geometries including a tightly focussed single optical dipole trap, a 4x4-site two-dimensional optical lattice and a 8-site ring lattice configuration. Furthermore, we show the ability to load and detect a small number of atoms in these trapping potentials. A site separation of down to one micrometer in combination with the low mass of 6Li results in tunneling rates which are sufficiently large for the implementation of Hubbard-models with the designed geometries.

연구 동기 및 목표

• 페르미 파장 척도에서 초저온 페르미 가스의 국소 탐측 및 제어를 달성하기 위해.
• 고해상도 영상 촬영과 임의의 광학 포텐셜 형상 조절이 가능한 이중 목렌스 광학 시스템을 개발하기 위해.
• 설계된 광학 격자에서 소수의 원자 시스템에 대한 사이트 해상도로의 로딩과 검출을 가능하게 하기 위해.
• 강한 상관관계를 가지는 페르미온계의 양자 시뮬레이션을 위해 마이크로미터 척도의 사이트 간격을 갖는 조절 가능한 트랩 기하구조를 창출하기 위해.
• 초저온 페르미온을 이용한 허브드 모델 물리학을 실현하기 위해 설계된 격자에서 실험적으로 접근 가능한 터널링률을 보여주기 위해.

제안 방법

• 동일한 고수치율의 망원경 두 대를 사용하여 동시에 고해상도 영상 촬영과 광학 포텐셜 생성을 수행하기 위해.
• 2차원 음향-광학 빔 데텍터를 활용하여 마이크로미터 이하 정밀도로 동적이고 정밀하게 광학 디폴드 포텐셜을 형상화하고 조작하기 위해.
• 일개의 강력 집중된 광학 디폴드 트랩, 4×4 2차원 광학 격자, 8개의 사이트로 구성된 고리 격자 형상 구성을 구현하기 위해.
• 마이크로미터 척도의 사이트 간격에서 큰 터널링 매트릭스 요소를 확보하기 위해 낮은 질량을 가진 6Li 원자를 양자 보편 페르미 가스로 사용하기 위해.
• 국소 영상 촬영과 광학 조작을 하나의 실험 플랫폼에 통합하여 사이트 해상도로의 검출과 준비를 가능하게 하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초저온 페르미온은 마이크로미터 이하의 공간 해상도로 영상 촬영되고 조작될 수 있는가?
• RQ2 이 장치를 사용하여 설계된 격자에서 광학 디폴드 포텐셜의 도달 가능한 공간적 및 에너지 척도는 무엇인가?
• RQ3 복잡한 광학 포텐셜 기하구조에서 소수의 원자에 대한 사이트 해상도로의 로딩과 검출가능한가?
• RQ4 이러한 마이크로미터 척도의 격자에서의 터널링률은 페르미-허브드 모델의 강한 상관관계 영역에 도달하는 데 충분한가?
• RQ5 음향-광학 빔 조작을 통해 고정밀도로 임의의 트랩 기하구조, 특히 고리 격자 형상도 생성되고 안정화될 수 있는가?

주요 결과

• 이 시스템은 포획된 6Li 페르미 가스의 국소 영상 촬영에서 최대 660 nm의 공간 해상도를 달성한다.
• 사이트 간격이 1 마이크로미터까지 조절 가능한 임의의 광학 디폴드 포텐셜이 생성되어 개별 격자 사이트에 대한 정밀한 제어가 가능해졌다.
• 2차원 광학 격자 형상(4×4)과 8사이트 고리 격자 형상은 음향-광학 데텍터를 통해 성공적으로 실현되었다.
• 설계된 포텐셜에서 소수의 원자에 대한 사이트 해상도로의 로딩과 검출이 실험적으로 입증되었다.
• 6Li의 낮은 질량과 마이크로미터 척도의 사이트 간격 덕분에 설계된 격자에서의 터널링률이 충분히 크며, 이는 허브드 모델의 양자 시뮬레이션에 적합하다.
• 이중 목렌스 구조는 동시에 고해상도 영상 촬영과 광학 조작이 가능하게 하여 초저온 페르미온의 국소 양자 제어를 위한 강력한 플랫폼을 제공한다.