[论文解读] Bloch Oscillations Along a Synthetic Dimension of Atomic Trap States

C.J. Oliver, Aaron Smith+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 5

一句话总结

该论文首次在由原子谐振阱态构成的合成维度中实验实现了布洛赫振荡，通过动态调制势阱以产生可调控的力。观察到的跨越数十个阱态的周期性振荡为合成维度的存在提供了确凿证据，并可用来表征有效能带结构，从而实现对高度激发态的精确控制，推动量子模拟的发展。

ABSTRACT

Synthetic dimensions provide a powerful approach for simulating condensed matter physics in cold atoms and photonics, whereby a set of discrete degrees of freedom are coupled together and re-interpreted as lattice sites along an artificial spatial dimension. However, atomic experimental realisations have been limited so far by the number of artificial lattice sites that can be feasibly coupled along the synthetic dimension. Here, we experimentally realise for the first time a very long and controllable synthetic dimension of atomic harmonic trap states. To create this, we couple trap states by dynamically modulating the trapping potential of the atomic cloud with patterned light. By controlling the detuning between the frequency of the driving potential and the trapping frequency, we implement a controllable force in the synthetic dimension. This induces Bloch oscillations in which atoms move periodically up and down tens of atomic trap states. We experimentally observe the key characteristics of this behaviour in the real space dynamics of the cloud, and verify our observations with numerical simulations and semiclassical theory. This experiment provides an intuitive approach for the manipulation and control of highly-excited trap states, and sets the stage for the future exploration of topological physics in higher dimensions.

研究动机与目标

• 利用原子谐振阱态实现长且可调控的合成维度，克服以往实验受限于少站点晶格的局限性。
• 通过布洛赫振荡直接验证合成维度的有效性及其有效能带结构。
• 实现对高度激发阱态的精确操控与控制，以应用于量子模拟与量子工程。
• 探索利用可调谐人工规范场与有限范围相互作用实现高维拓扑物理的可行性。

提出的方法

• 利用图案化光动态调制超冷原子云的势阱，将离散的谐振阱态耦合为合成空间维度。
• 通过调节驱动频率与阱频率之间的失谐，生成沿合成维度的可调力。
• 利用由此产生的有效势梯度，诱导原子在低能与高能阱态之间发生周期性布洛赫振荡。
• 通过实空间测量云的动力学行为观察振荡特性，并结合数值模拟与半经典理论进行验证。
• 优化驱动势形状（如线性与非线性）以减少云的分裂，提升振荡保真度。
• 采用两步协议作为潜在策略，通过在激活驱动前初始化于激发态，进一步提升态制备保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在由原子谐振阱态构成的合成维度中实验观测到布洛赫振荡？
• RQ2 在真实实验系统中，该合成维度的长度可扩展到多大程度，且可实现多高的控制精度？
• RQ3 驱动频率与阱频率之间的失谐如何影响振荡动力学及合成维度中云的宽度？
• RQ4 所观测到的布洛赫振荡能否作为可靠指标用于表征合成晶格的有效能带结构？
• RQ5 有哪些策略可提升此类合成维度中态制备保真度与振荡相干性？

主要发现

• 在数十个原子阱态间观测到实验性的布洛赫振荡，证实了长合成维度的存在及其可调控性。
• 通过调节驱动频率与阱频率之间的失谐，实现了振荡周期与振幅的可调，证明了对合成维度中有效力的精确控制。
• 在失谐为2 Hz时，振荡云组分的半高全宽测量值约为8个态；在5 Hz时约为5个态，表明失谐增大可减小云宽。
• 数值模拟表明，线性驱动势（V(x,t) = κx cos(ω_D t)）相比实验中使用的非线性势，能更有效地抑制云的分裂，从而提升相干性。
• 即使初始态为非相互作用的玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）基态，仍可观测到布洛赫振荡，表明该方法对初始态制备具有强鲁棒性。
• 该方法可实现对高度激发阱态的高精度操控，为量子模拟及外部原子态的工程化开辟了新途径。