[논문 리뷰] Quantum Simulation of an Antiferromagnetic Spin Chain in an Optical Lattice

Jonathan Simon, Waseem Bakr외 4명|arXiv (Cornell University)|2011. 03. 07.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 비편재 보스 가스를 사용하여 광학 격자에서 반자성 스핀 체인의 양자 시뮬레이션을 수행하며, 입자 수 밀도를 가짜 스핀으로 매핑하여 조절 가능한 이징 상호작용을 실현한다. 외부 필드를 변화시킴으로써 시스템은 비자기성에서 반자성 상으로의 양자상전이를 겪으며, 현장 내에서의 영상 촬영과 소음 상관관계를 통해 자성 도메인을 관측함으로써 초냉각 원자에서의 양자 자성을 연구할 수 있는 플랫폼을 구축한다.

ABSTRACT

Understanding exotic forms of magnetism in quantum mechanical systems is a central goal of modern condensed matter physics, with implications from high temperature superconductors to spintronic devices. Simulating magnetic materials in the vicinity of a quantum phase transition is computationally intractable on classical computers due to the extreme complexity arising from quantum entanglement between the constituent magnetic spins. Here we employ a degenerate Bose gas confined in an optical lattice to simulate a chain of interacting quantum Ising spins as they undergo a phase transition. Strong spin interactions are achieved through a site-occupation to pseudo-spin mapping. As we vary an applied field, quantum fluctuations drive a phase transition from a paramagnetic phase into an antiferromagnetic phase. In the paramagnetic phase the interaction between the spins is overwhelmed by the applied field which aligns the spins. In the antiferromagnetic phase the interaction dominates and produces staggered magnetic ordering. Magnetic domain formation is observed through both in-situ site-resolved imaging and noise correlation measurements. By demonstrating a route to quantum magnetism in an optical lattice, this work should facilitate further investigations of magnetic models using ultracold atoms, improving our understanding of real magnetic materials.

연구 동기 및 목표

• 강한 상관관계가 있는 스핀 시스템에서 양자상전이 근처의 양자 자성을 연구하기 위해.
• 고전적 방법으로 얽힌 양자 스핀 시스템을 시뮬레이션하는 데 있어 계산적으로 비가능한 문제를 극복하기 위해.
• 제어 가능한 상호작용과 외부 필드를 갖춘 광학 격자에서 조절 가능한 양자 이징 스핀 체인을 실현하기 위해.
• 제어 가능한 초냉각 원자 시스템에서 반자성 질서와 자성 도메인 형성의 발생을 관측하기 위해.
• 복잡한 자기 재료를 초냉각 원자를 사용하여 시뮬레이션할 수 있는 확장 가능한 플랫폼을 제공하기 위해.

제안 방법

• 1차원 광학 격자에 비편재 보스 가스를 적재하여 입자 수 밀도 자유도를 갖는 시스템을 생성한다.
• 제어 가능한 터널링 및 상호작용 메커니즘을 통해 입자 수 밀도를 가짜 스핀으로 매핑하여 양자 이징 스핀을 시뮬레이션한다.
• 외부 필드를 조절하여 비자기성과 반자성 상 사이의 양자상전이를 유도한다.
• 현장 내에서의 입자 수 해결 영상 촬영을 통해 직접 스핀 구성을 및 자성 도메인을 관측한다.
• 소음 상관관계 측정을 통해 스핀 상관관계를 조사하고 반자성 질서를 확인한다.
• 반자성 상에서 스핀 상호작용이 필드보다 지배적인 영역에서 시스템을 준비한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제어 가능한 초냉각 원자 시스템에서 비자기성에서 반자성 질서로의 양자상전이가 어떻게 나타나는가?
• RQ2 조절 가능한 상호작용을 갖는 1차원 양자 스핀 체인에서 자성 도메인 형성이 실험적으로 관측될 수 있는가?
• RQ3 스핀 상호작용과 외부 필드를 얼마나 조절할 수 있는가? 이는 격자에서 양자 이징 모델을 시뮬레이션하는 데에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 소음 상관관계 측정은 시스템 내 반자성 질서의 존재를 어떻게 반영하는가?
• RQ5 이 설정에서 장거리 자성 질서의 발생에 양자 얽힘은 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 시스템은 외부 필드에 의해 스핀이 정렬된 비자기성 상에서 스핀 상호작용이 지배하는 반자성 상으로 명확한 양자상전이를 겪는다.
• 현장 내에서의 입자 수 해결 영상 촬영을 통해 직접 자성 도메인을 관측함으로써 교대 스핀 질서의 형성이 확인된다.
• 소음 상관관계 측정은 질서 상에서 반자성 스핀 상관관계에 대한 정량적 증거를 제공한다.
• 입자 수 밀도를 통한 가짜 스핀 매핑은 광학 격자 내 스핀 간에 강하고 조절 가능한 이징 유사 상호작용을 가능하게 한다.
• 실험적 실현은 초냉각 원자 시스템에서의 양자 자성의 시뮬레이션을 위한 확장 가능한 길을 보여준다.
• 결과는 초냉각 원자를 광학 격자에 이용하여 양자상전이와 이국적인 자성을 연구하는 데에 효과적임을 검증한다.