[论文解读] Enhanced metrology at the critical point of a many-body Rydberg atomic system

Dong-Sheng Ding, Zong-Kai Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 4

一句话总结

本文通过利用接近临界点的多体里德堡原子体系，实现了微波电场计量的增强，其中集体相互作用放大了灵敏度。通过利用临界点处发散的磁化率和陡峭的透射响应，费舍尔信息量相比非相互作用体系提高了1000倍以上，实现了49 nV/cm/Hz^{1/2}的实测灵敏度。

ABSTRACT

The spectral properties of an interacting many-body system may display critical character and have potential applications in precision metrology. Here, we demonstrate such many-body enhanced metrology for microwave (MW) electric fields in a non-equilibrium Rydberg atomic gas. Near criticality the high sensitivity of Rydberg atoms to external MW electric fields, combined with many-body enhancement induces significant changes in the optical transmission. We quantify this behavior using the Fisher information. For continuous optical transmission at the critical point, the Fisher information is three orders of magnitude larger than in independent particle systems, the measured data provides an equivalent sensitivity of 49 nV/cm/$ extrm{Hz}^{1/2}$. The reported results constitute a milestone towards the application of many-body effects in precision metrology.

研究动机与目标

• 探讨里德堡原子体系中的多体临界性如何增强精密计量的灵敏度。
• 证明临界性可实现对外部微波电场的极端灵敏响应。
• 使用费舍尔信息量量化非平衡多体系统中的计量优势。
• 分析临界点附近的非绝热动力学及其对测量灵敏度量级的影响。

提出的方法

• 采用平均场近似建模里德堡体系，其中有效失谐包含依赖于布居数的相互作用频移 $\Delta_{\text{eff}} = \Delta - V\rho_{rr}$。
• 在平均场近似下，从光学布洛赫方程推导稳态里德堡布居数 $\rho_{rr}$，得到 $\rho_{rr}$ 的三次方程。
• 计算导数 $\mathrm{d}\rho_{rr}/\mathrm{d}\Delta$ 以量化灵敏度，临界性定义为 $\mathrm{d}\rho_{rr}/\mathrm{d}\Delta \to \infty$。
• 使用费舍尔信息量 $\mathcal{F}$ 作为衡量标准，比较相互作用与非相互作用体系的计量性能。
• 通过差分光电探测器采集扫频过程中的光学透射数据，并利用光子数转换进行校准。
• 分析由于临界慢化导致的费舍尔信息量与扫描时间呈现非整数幂律依赖关系，偏离绝热假设。

实验结果

研究问题

• RQ1 里德堡原子气体中的多体临界性如何增强对外部微波电场的灵敏度？
• RQ2 在临界点附近，费舍尔信息量随测量时间的标度关系如何？与绝热行为有何不同？
• RQ3 里德堡系综中的集体相互作用相比独立粒子，能在多大程度上提升计量灵敏度？
• RQ4 临界点附近的非绝热动力学如何影响测量分辨率与信号响应？
• RQ5 在电场分辨率方面，可实现的灵敏度极限是多少？与现有基准相比如何？

主要发现

• 临界点处的费舍尔信息量超过非相互作用体系超过1000倍，表明存在显著的多体增强效应。
• 系统的实测灵敏度达到49 nV/cm/Hz^{1/2}，显著优于典型单粒子极限。
• $\mathrm{d}\rho_{rr}/\mathrm{d}\Delta$ 在临界点达到最大值，表明对外部场引起的频移具有最大灵敏度。
• 临界点附近的非绝热动力学导致费舍尔信息量与扫描时间呈现非整数幂律依赖，偏离标准标度规律。
• 理论模拟证实，临界点对应磁化率发散及里德堡布居数的急剧转变。
• 实验装置通过差分光电探测器与校准的光子数转换，实现了高精度透射测量，从而准确量化了灵敏度。