[论文解读] Ballistic, diffusive, and arrested transport in disordered momentum-space lattices

Fangzhao Alex An, Η. Meier+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2017

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 55被引用 11

一句话总结

本研究通过超冷原子在合成动量空间晶格中实现了工程化动态 disorder 与非对角 disorder，通过调控激光驱动的隧穿相位，实现了弹道、扩散和冻结输运行为。关键贡献在于首次观测到由于时变隧穿相位 disorder 引起的量子到经典输运行为的交叉，同时提供了静态位点能量 disorder 下安德森局域化的直接证据。

ABSTRACT

Ultracold atoms in optical lattices offer a unique platform for investigating disorder-driven phenomena. While static disordered site potentials have been explored in a number of optical lattice experiments, a more general control over site-energy and off-diagonal tunneling disorder has been lacking. The use of atomic quantum states as "synthetic dimensions" has introduced the spectroscopic, site-resolved control necessary to engineer new, more tailored realizations of disorder. Here, by controlling laser-driven dynamics of atomic population in a momentum-space lattice, we extend the range of synthetic-dimension-based quantum simulation and present the first explorations of dynamical disorder and tunneling disorder in an atomic system. By applying static tunneling phase disorder to a one-dimensional lattice, we observe ballistic quantum spreading as in the case of uniform tunneling. When the applied disorder fluctuates on timescales comparable to intersite tunneling, we instead observe diffusive atomic transport, signaling a crossover from quantum to classical expansion dynamics. We compare these observations to the case of static site-energy disorder, where we directly observe quantum localization in the momentum-space lattice.

研究动机与目标

• 探索超越静态位点能量 disorder 的合成维度中定制化动态 disorder。
• 研究时变隧穿相位对一维动量空间晶格中量子输运动力学的影响。
• 在退火型隧穿相位 disorder 条件下，观测从量子弹道膨胀到经典扩散输运的交叉行为。
• 在静态位点能量 disorder 下，实现对安德森局域化的位点分辨观测。
• 建立一个用于模拟热力学与非平衡现象的工程化哈密顿噪声平台。

提出的方法

• 利用反向传播、远失谐的布喇格激光形成的动量空间晶格中的玻色-爱因斯坦凝聚体，结合光谱工程化组件。
• 通过光谱控制单个双光子布喇格跃迁，独立调节隧穿幅度、相位和位点能量。
• 实施静态隧穿相位 disorder 以观测弹道输运，并通过动态波动相位模拟退火 disorder。
• 通过不可公度余弦势施加伪随机位点能量 disorder，以模拟动量晶格中的静态 disorder。
• 采用时间分辨、位点分辨的动量分布测量，追踪膨胀动力学并提取输运指数。
• 将实验结果与包含时间平均相位效应的等效紧束缚哈密顿量数值模拟进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 时变隧穿相位 disorder 如何影响一维动量空间晶格中的量子输运？
• RQ2 在合成维度中，通过工程化动态 disorder 是否可观测到从弹道到扩散输运的交叉行为？
• RQ3 静态位点能量 disorder 在动量空间晶格中诱导安德森局域化的角色是什么？
• RQ4 在位点能量 disorder 与隧穿相位 disorder 的不同强度下，输运指数（γ）如何随 disorder 强度变化？
• RQ5 工程化、可逆 disorder 在多大程度上能模拟量子模拟平台中的热涨落？

主要发现

• 对于静态隧穿相位 disorder，观测到弹道量子扩展，输运指数 γ ≈ 2，与相干动力学一致。
• 当隧穿相位在与隧穿时间相当的时间尺度上波动时，观测到向扩散输运的交叉，γ ≈ 1，表明类经典扩展行为。
• 对于静态位点能量 disorder，扩展指数随 disorder 增强而减小，在 Δ/t = 5.9(1) 时达到 γ = 0.12(6)，表明几乎冻结的输运。
• 位点分辨的布居测量证实了指数局域化，局域化长度 ξ ≈ 1/Δ，与 Δ/t ≳ 2 时的安德森局域化一致。
• 数值模拟表明，当有效温度较高（kBT/t ≳ 1）时，由于快速波动相位的时间平均作用，扩展指数恢复至 γ ≈ 2。
• 在 kBT/t ≤ 1 条件下，实验数据与模拟结果高度吻合，验证了工程化退火 disorder 作为非平衡动力学可控探针的有效性。