[论文解读] Experimental realization of strong effective magnetic fields in an optical lattice

Monika Aidelsburger, Marcos Atala+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2011

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 12

一句话总结

本论文通过拉曼辅助隧穿在二维光晶格中实验实现了强有效磁场，每个元胞的几何相位为±π/2的棋盘式阿哈罗诺夫-玻姆相位。该系统表现出时间反演对称性破缺、因几何阻挫导致的简并基态，以及单原子中量子回旋运动的直接观测，有效磁通量接近每个元胞一个磁通量子。

ABSTRACT

We use Raman-assisted tunneling in an optical superlattice to generate large tunable effective magnetic fields for ultracold atoms. When hopping in the lattice, the accumulated phase shift by an atom is equivalent to the Aharonov-Bohm phase of a charged particle exposed to a staggered magnetic field of large magnitude, on the order of one flux quantum per plaquette. We study the ground state of this system and observe that the frustration induced by the magnetic field can lead to a degenerate ground state for non-interacting particles. We provide a measurement of the local phase acquired from Raman-induced tunneling, demonstrating time-reversal symmetry breaking of the underlying Hamiltonian. Furthermore, the quantum cyclotron orbit of single atoms in the lattice exposed to the magnetic field is directly revealed.

研究动机与目标

• 在无外部磁场的条件下，实现超冷原子系统中的强有效磁场。
• 在洁净、可调的光晶格平台上模拟整数量子霍尔效应。
• 实现接近每个元胞一个磁通量子的有效磁通量，以探索强关联量子物态。
• 观测由阻挫诱导的时间反演对称性破缺与简并基态，即使在非相互作用系统中。
• 直接成像单原子在有效磁场下的量子回旋轨道。

提出的方法

• 拉曼激光在晶格位点间诱导具有空间变化相位的隧穿，产生有效规范势。
• 拉曼耦合相位随exp(±iδk·R)变化，每个四格元胞产生±π/2的棋盘式磁通。
• 系统由具有复数跃迁幅度K exp(±iδk·R)的紧束缚哈密顿量描述，模拟均匀的有效磁场。
• 利用飞行时间展开和位点分辨探测，测量动量分布与局域相位信息。
• 将单原子制备在孤立的元胞中，以研究回旋运动与相位累积。
• 通过飞行时间后的动量空间干涉图样提取相位信息。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在中性原子系统中实现足够强的有效磁场，以诱导类似量子霍尔效应的物理行为？
• RQ2 由诱导的有效规范势是否导致时间反演对称性破缺，表现为隧穿过程中的相位累积？
• RQ3 在非相互作用系统中，由棋盘式磁通引起的阻挫是否可导致简并基态的出现？
• RQ4 是否可直接观测此类晶格中单原子的量子回旋运动？
• RQ5 在二维光晶格中，通过拉曼辅助隧穿可实现的最大有效磁通量（每元胞）是多少？

主要发现

• 实验实现了每元胞±π/2的有效磁通，相当于接近每个元胞一个磁通量子，证明了强有效磁场的实现。
• 动量分布显示在J/K > √2时出现分裂峰结构，表明由于阻挫导致的简并基态出现。
• 对拉曼辅助隧穿过程中局域相位的直接测量，证实了哈密顿量的时间反演对称性破缺。
• 在孤立元胞中直接观测到单原子的量子回旋轨道，验证了有效磁场下的动力学行为。
• 由于棋盘式磁通分布引起的阻挫，非相互作用粒子系统表现出简并基态。
• 通过孤立双阱中的隧穿振荡独立测量了拉曼诱导的隧穿耦合强度K，证实了相位工程方案的可行性。