[论文解读] Quantum gas microscopy of a geometrically frustrated Hubbard system

Jirayu Mongkolkiattichai, Liyu Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2022

Advanced Condensed Matter Physics参考文献 52被引用 9

一句话总结

本研究首次实现了在三角形光晶格中对费米子莫特绝缘体的位点分辨观测，实现了几何受挫的 Hubbard 系统。通过量子气体显微术，作者实现了单原子和单格点分辨率，直接测量了所有最近邻自旋-自旋关联，并实现了温度测量，从而为在受挫量子系统中探索量子自旋液体和奇异磁性提供了前所未有的实验可能性。

ABSTRACT

Geometrically frustrated many-particle quantum systems are notoriously hard to study numerically but are of profound interest because of their unusual properties and emergent phenomena. In these systems energetic constraints cannot be minimized simultaneously, leading to large ground-state degeneracy and a variety of exotic quantum phases. Here, we present a platform that enables unprecedentedly detailed experimental exploration of geometrically frustrated electronic systems on lattices with triangular geometry. We demonstrate the first realization of triangular atomic Hubbard systems, directly image Mott insulators in the triangular geometry with single-atom and single-site resolution, and measure antiferromagnetic spin-spin correlations for all nearest neighbors allowing for thermometry. This platform provides a powerful new approach for studying exotic quantum magnetism and direct detection of quantum spin liquid signatures in Hubbard systems.

研究动机与目标

• 在超冷原子气体中实现并实验探测几何受挫的量子系统。
• 将量子气体显微术扩展至三角形晶格，实现在非正方形晶格几何结构中的单格点分辨率。
• 以高空间分辨率和粒子数分辨率直接成像三角 Hubbard 系统中的莫特绝缘相。
• 测量受挫晶格中所有最近邻自旋-自旋关联的反铁磁关联。
• 开发并应用基于自旋关联和密度分布的温度测量技术，用于阱中强关联费米子的温度测量。

提出的方法

• 通过三束圆偏振 1064 nm 激光束的干涉实现二维三角形光晶格。
• 利用 1D 拉链状晶格（波长 532 nm）实现超冷费米原子的二维约束。
• 采用高数值孔径物镜实现单格点分辨的荧光成像。
• 通过光路控制调节晶格间距，以调节跃迁和相互作用参数。
• 应用数值链接簇展开（NLCE）和全息量子蒙特卡罗（DQMC）模拟自旋关联和热力学性质。
• 采用局域密度近似（LDA）和径向关联分布拟合，从实验数据中提取温度和化学势。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在具有单格点分辨率的三角形光晶格中直接观测费米子莫特绝缘相？
• RQ2 在几何受挫的 Hubbard 系统中，反铁磁自旋-自旋关联的性质及其空间分布如何？
• RQ3 在具有粒子-空穴对称性破缺的强关联、阱约束超冷原子系统中，如何可靠地提取温度？
• RQ4 实验测得的自旋关联在多大程度上与 DQMC 和 NLCE 对三角 Hubbard 模型的理论预测一致？
• RQ5 在几何受挫存在的情况下，该系统是否表现出量子自旋液体行为的特征？

主要发现

• 首次实现了具有单原子和单格点分辨率的三角形费米-Hubbard 系统的实验实现。
• 位点分辨成像证实了在 $U/t = 10(1)$（109 个原子）和 $U/t = 26(3)$（203 个原子）时莫特绝缘相的形成。
• 测得所有最近邻自旋-自旋关联的反铁磁关联，关联强度为 $-0.0058(1- heta_h)$，与理论预测一致。
• 成功应用径向自旋关联分布和中心自旋关联进行温度测量，得到一致的温度估计。
• 系统在半满时表现出从金属到绝缘体的清晰转变，双占据数被抑制，密度方差趋近于零。
• 数值模拟（DQMC 和 NLCE）证实了实验观测结果，有限尺寸误差和 Trotter 误差均小于统计不确定性。