[論文レビュー] Observation of spin-space quantum transport induced by an atomic quantum point contact

K. Ono, Toshiya Higomoto+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 47被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、2軌道の光格子中の超冷却 173Yb 原子を用いて、冷たい原子系の量子点接触（QPC）におけるスピン空間量子輸送を実証した。局所的不純物からのスピン依存の位相シフトを活用することで、実空間ではなく合成スピン空間における量子輸送を誘起し、Landauer-Büttiker 公式に従うスピン反転ダイナミクスの観測を可能にした。主な結果は、ラムゼイ干渉計を用いたスピン空間電流の直接測定であり、磁場制御により輸送レートを調整可能であり、135 ガウスで有効1次元散乱長が 2667aB に達した。

ABSTRACT

Quantum transport is ubiquitous in physics. So far, quantum transport between terminals has been extensively studied in solid state systems from the fundamental point of views such as the quantized conductance to the applications to quantum devices. Recent works have demonstrated a cold-atom analog of a mesoscopic conductor by engineering a narrow conducting channel with optical potentials, which opens the door for a wealth of research of atomtronics emulating mesoscopic electronic devices and beyond. Here we realize an alternative scheme of the quantum transport experiment with ytterbium atoms in a two-orbital optical lattice system. Our system consists of a multi-component Fermi gas and a localized impurity, where the current can be created in the spin space by introducing the spin-dependent interaction with the impurity. We demonstrate a rich variety of localized-impurity-induced quantum transports, which paves the way for atomtronics exploiting spin degrees of freedom.

研究の動機と目的

• 局所的不純物を量子点接触（QPC）として用いる冷たい原子系において、合成スピン空間における量子輸送を実現すること。
• 不純物散乱によって誘起されるスピン依存の位相シフトが、有効スピン空間電流を生じることを実証すること。
• 空間的に分離されたリードではなくスピン自由度を用いることで、マルチ端子輸送の量子シミュレーションのためのプラットフォームを提供すること。
• スピンコherenve と位相差の役割が輸送ダイナミクスに与える影響を明らかにし、非平衡アンダーソン正交性断絶に関連する知見を得ること。
• 超冷却フェルミ粒子と準安定不純物を用いて、スピン空間2端子系において Landauer-Büttiker 公式を実験的に検証すること。

提案手法

• 1次元の反発的相互作用を示すフェルミガス（1S0 态 |g⟩）と、準1次元光ポテンシャル内に局在化した 3P0 準安定不純物（|e⟩）を設計した。
• ラマンパルスを用いてスピン状態 |+⟩ = (|↑⟩ + |↓⟩)/√2 の重ね合わせ状態を生成し、スピン空間輸送を開始した。
• 原子が局所的不純物から散乱することでスピン依存の位相シフト δσ(ε) を獲得する時間遅延（ホールド時間）を導入した。
• OSG（光的状態準備および読み出し）光を用いてスピン反転確率を測定することで、最終スピン状態をラムゼイ干渉計で検出した。
• スピン空間電流の Landauer-Büttiker 公式を用い、位相シフトの差 δ↑(ε) − δ↓(ε) から透過率 Tθ=π/2(ε) を計算した。
• 磁場依存の有効1次元散乱長 a1D を得るために、(0+1)D システムにおける散乱の Lippmann-Schwinger 方程式を数値的に解いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所的不純物を QPC として用いることで、空間的に分離されたリードが存在しない状況でも、スピン空間に完全に量子輸送を誘起できるか？
• RQ2 磁場が有効1次元散乱長をどのように調整し、結果としてスピン空間輸送ダイナミクスに影響を与えるか？
• RQ3 位相差 δ↑(ε) − δ↓(ε) がスピン反転確率および有効電流の生成に果たす役割は何か？
• RQ4 合成スピン次元におけるスピン空間輸送行動が、Landauer-Büttiker 公式の予測とどの程度一致するか？
• RQ5 輸送誘発スピンダイナミクスを用いて、局所的不純物のスピンコherenve をプローブし、非平衡量子効果を研究できるか？

主な発見

• ラムゼイ干渉計を用いたスピン空間量子輸送が成功裏に観測され、スピン反転確率 sin²(δ↑(ε) − δ↓(ε)) が直接電流を測定した。
• 135 ガウスで、有効1次元散乱長 a1D/aB = 2667（∆mF = 5）に達し、45 ガウスと比較して輸送ダイナミクスが顕著に強化された。
• l = 1（奇数波散乱）の状態において、135 ガウスでの位相シフト差 δ↑(ε) − δ↓(ε) が 45 ガウスよりも大きくなり、これにより輸送レートが速くなった。
• Landauer-Büttiker 公式を用いた輸送ダイナミクスの数値シミュレーションは、実験データと良好に一致しており、ホールド時間 45 ms まで ∆N/N の時間発展が再現された。
• 磁場制御によりスピン空間輸送を調整可能であり、散乱位相シフトと有効相互作用強度が変化することを示した。
• 電流は I₊→₋ = Nimp ∫ dε Tθ=π/2(ε) [f(ε − μ+) − f(ε − μ−)] で定量的に記述され、実空間量子輸送のスピン空間アナログを確認した。