[论文解读] Finite-range interacting Ising quantum magnets with Rydberg atoms in optical lattices - From Rydberg superatoms to crystallization

Peter Schauß|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2017

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 168被引用 18

一句话总结

本文综述了利用光晶格中的里德堡原子实现有限范围相互作用的伊辛量子自旋模型的研究进展，通过 $1/r^6$ 的范德瓦尔斯力实现可调的长程相互作用。研究详细描述了从超原子 regime（由于阻塞效应仅允许一个激发态）到更大系统中自旋晶体的观测，得益于位点分辨探测以及横向和纵向磁场的调控。

ABSTRACT

Finite-range interacting spin models are the simplest models to study the effect of beyond nearest-neighbour interactions and access new effects caused by the range of the interactions. Recent experiments have reached the regime of dominant interactions in Ising quantum magnets via optical coupling of trapped neutral atoms to Rydberg states. This approach allows for the tunability of all relevant terms in an Ising Hamiltonian with $1/r^6$ interactions in a transverse and longitudinal field. This review summarizes the recent progress of these implementations in Rydberg lattices with site-resolved detection. The strong correlations in this quantum Ising model have been observed in several experiments up to the point of crystallization. In systems with a diameter small compared to the Rydberg blockade radius, the number of excitations is maximally one in the so-called superatom regime.

研究动机与目标

• 利用光晶格中的里德堡原子研究超越近邻相互作用的有限范围自旋模型。
• 探索从超原子 regime（由于阻塞效应仅允许一个里德堡激发）到多体关联物相的转变。
• 通过位点分辨成像观测并表征有限范围相互作用自旋系统中的量子晶体化现象。
• 利用里德堡态耦合实现可调的伊辛哈密顿量，通过控制横向和纵向磁场调节参数。
• 通过里德堡布料技术将量子模拟扩展至非寻常物相，如超固态和玻璃态。

提出的方法

• 利用近共振激光耦合里德堡态，将里德堡哈密顿量映射为有效自旋-1/2伊辛模型。
• 通过里德堡原子间的范德瓦尔斯偶极-偶极耦合实现可调的 $1/r^6$ 相互作用。
• 利用位点分辨成像探测单个自旋构型，并以单格点分辨率测量空间关联函数。
• 通过拉比频率控制横向场，通过外加磁场控制纵向场，以调节伊辛哈密顿量的参数。
• 应用里德堡布料——即非共振耦合至里德堡态——以实现长寿命的有效相互作用，并实现晶格中原子的运动。
• 采用冻结里德堡气体近似，忽略原子运动，专注于强相互作用 regime 下的内部自旋动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 在可调相互作用范围的里德堡布料原子系统中，有限范围的伊辛模型相互作用如何表现？
• RQ2 在具有长程相互作用的有限里德堡系统中，量子晶体化的特征表现为何种形式？
• RQ3 当系统尺寸小于里德堡阻塞半径时，超原子 regime 如何形成？
• RQ4 里德堡布料能否实现如超固态或团簇李希特液态等非寻常量子物相？
• RQ5 利用里德堡原子研究长程相互作用自旋系统时，相干性和控制能力的实验极限是什么？

主要发现

• 当系统直径小于里德堡阻塞半径时，实现超原子 regime，限制激发态数量为一个。
• 在更大系统中，通过光晶格中里德堡布料系统的位点分辨探测，实验观测到强关联和自旋晶体化。
• 通过激光耦合，实现了具有完全可调横向和纵向场的有限范围伊辛模型，其相互作用为 $1/r^6$。
• 位点分辨成像实现了空间自旋关联函数的直接测量，证实了有序相的出现。
• 里德堡布料在少体和多体系统中均得到实验验证，实现了更长的有效寿命，并进入新的相互作用 regime。
• 理论提出的非寻常物相（如超固态液滴晶体和玻璃态）得到了实验进展的支持，为其实际实现奠定了基础。