[论文解读] Dipolar quantum solids emerging in a Hubbard quantum simulator

Lin Su, Alexander Douglas+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 73被引用 5

一句话总结

本研究通过使用可调谐长程偶极相互作用的超冷磁性铒原子，在 Hubbard 量子模拟器中展示了偶极量子固态的出现。通过外加磁场调控各向异性偶极相互作用，并结合量子气体显微术，作者直接观测到从超流体到多种条纹有序和棋盘有序固态的量子相变，包括亚稳态和自发对称性破缺，为模拟具有长程和各向异性相互作用的强关联量子物质建立了平台。

ABSTRACT

In quantum mechanical many-body systems, long-range and anisotropic interactions promote rich spatial structure and can lead to quantum frustration, giving rise to a wealth of complex, strongly correlated quantum phases. Long-range interactions play an important role in nature; however, quantum simulations of lattice systems have largely not been able to realize such interactions. A wide range of efforts are underway to explore long-range interacting lattice systems using polar molecules, Rydberg atoms, optical cavities, and magnetic atoms. Here, we realize novel quantum phases in a strongly correlated lattice system with long-range dipolar interactions using ultracold magnetic erbium atoms. As we tune the dipolar interaction to be the dominant energy scale in our system, we observe quantum phase transitions from a superfluid into dipolar quantum solids, which we directly detect using quantum gas microscopy with accordion lattices. Controlling the interaction anisotropy by orienting the dipoles enables us to realize a variety of stripe ordered states. Furthermore, by transitioning non-adiabatically through the strongly correlated regime, we observe the emergence of a range of metastable stripe-ordered states. This work demonstrates that novel strongly correlated quantum phases can be realized using long-range dipolar interaction in optical lattices, opening the door to quantum simulations of a wide range of lattice models with long-range and anisotropic interactions.

研究动机与目标

• 在光学晶格中实现并研究具有长程偶极相互作用的强关联量子态，这些态在数值模拟中通常难以处理。
• 通过使用超冷磁性原子引入可调谐、各向异性的长程偶极相互作用，克服以往量子模拟中局域相互作用的局限性。
• 在受控且可调的系统中，利用位点分辨成像直接探测量子固态（如条纹和棋盘有序）的出现。
• 研究超流体与偶极固态相之间的量子相变，包括亚稳态和对称性破缺现象。
• 建立一个模拟具有有限范围、各向异性相互作用的复杂量子材料（如过渡金属二硫属化物和自旋冰）的平台。

提出的方法

• 利用光学晶格中的超冷铒原子实现具有长程偶极相互作用的扩展玻色- Hubbard 模型。
• 施加外磁场以定向磁偶极矩，调节偶极相互作用的各向异性，从而实现对相互作用范围和方向性的控制。
• 通过绝热地将态从间距较小的反向反射晶格转移至压缩晶格，实现位点分辨的单次测量成像，利用量子气体显微术。
• 从单次测量图像中测量密度-密度关联函数和结构因子，以识别固态序并量化关联长度。
• 使用量子蒙特卡罗模拟估算系统温度，并与实验数据对比，确认有序相的存在。
• 通过分析条纹序的时间稳定性和自相关性，证实固态相中存在自发对称性破缺。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有可调谐长程和各向异性相互作用的 Hubbard 量子模拟器中，偶极量子固态是否能够出现？
• RQ2 各向异性偶极相互作用如何影响强关联系统中条纹有序和棋盘有序相的形成？
• RQ3 非绝热跃迁在亚稳态条纹有序态的出现中起什么作用？
• RQ4 在偶极量子固态相中，如何观测并确认自发对称性破缺？
• RQ5 所观测到的偶极量子固态的温度和寿命是多少？与理论预测相比如何？

主要发现

• 作者直接观测到从超流体到半填充偶极量子固态的量子相变，该固态相由长程偶极相互作用稳定。
• 观测到条纹有序和棋盘有序固态，条纹固态在 x 方向的关联长度为 2.22(5) 个位点，在 y 方向为 1.21(15) 个位点；棋盘固态的关联长度各向同性，为 0.82(5) 个位点。
• 系统在当前实验条件下表现出约 1.0 秒的条纹固态寿命和约 0.7 秒的棋盘固态寿命，表明其具有亚稳态特性。
• 通过单次测量图像中条纹序的双峰分布以及随时间重叠值无自相关性，证实条纹固态中存在自发对称性破缺。
• 与量子蒙特卡罗模拟对比的温度估算显示，条纹固态温度为 0.8 nK，棋盘固态温度为 0.7 nK，临界温度约为 0.5 nK。
• 当系统非绝热地通过强关联区域时，会形成亚稳态条纹有序态，表明有潜力实现非平衡量子相。