[论文解读] High-resolution imaging and manipulation of ultracold fermions

Bruno Zimmermann, Torben Mueller+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2010

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 1

一句话总结

本文提出一种使用双体式显微镜物镜的高分辨率光学系统，实现对超冷⁶Li费米子的亚微米级精度成像与操控。该系统展示了660 nm分辨率的局域成像能力，并成功构建了可调谐的光镊势阱，包括单点、二维晶格及环形构型，实现了适合Hubbard模型量子模拟的位点分辨装载与探测，其隧穿速率适宜。

ABSTRACT

We report on the local probing and preparation of an ultracold Fermi gas on the length scale of one micrometer, i.e. of the order of the Fermi wavelength. The essential tool of our experimental setup is a pair of identical, high-resolution microscope objectives. One of the microscope objectives allows local imaging of the trapped Fermi gas of 6Li atoms with a maximum resolution of 660 nm, while the other enables the generation of arbitrary optical dipole potentials on the same length scale. Employing a 2D acousto-optical deflector, we demonstrate the formation of several trapping geometries including a tightly focussed single optical dipole trap, a 4x4-site two-dimensional optical lattice and a 8-site ring lattice configuration. Furthermore, we show the ability to load and detect a small number of atoms in these trapping potentials. A site separation of down to one micrometer in combination with the low mass of 6Li results in tunneling rates which are sufficiently large for the implementation of Hubbard-models with the designed geometries.

研究动机与目标

• 在费米波长尺度上实现对超冷费米气体的局域探测与控制。
• 开发一种双物镜光学系统，可同时实现高分辨率成像与任意光学势形貌调控。
• 在设计的光晶格中实现少量原子系统的位点分辨装载与探测。
• 构建具有微米级位点间距的可调谐阱形几何构型，用于强关联费米子系统的量子模拟。
• 在设计的晶格中实现实验可实现的隧穿速率，以实现超冷费米子的Hubbard模型物理行为。

提出的方法

• 利用两个相同的高数值孔径显微物镜，实现同时的高分辨率成像与光学势生成。
• 采用二维声光偏转器，实现对光镊势阱的动态形貌调控与精确光束导引，精度达亚微米级。
• 实现单个紧密聚焦的光学势阱、4×4二维光晶格以及8位点环形晶格构型。
• 利用质量较小的⁶Li原子作为量子简并费米气体，以在微米级位点间距下实现较大的隧穿矩阵元。
• 在单一实验平台上集成局域成像与光学操控，实现位点分辨的探测与制备。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否以亚微米级空间分辨率对超冷费米子进行成像与操控？
• RQ2 在此系统中，利用该装置在工程化晶格中可实现的光学势阱的空间与能量尺度范围为何？
• RQ3 能否在复杂光学势阱几何构型中实现少量原子的位点分辨装载与探测？
• RQ4 这些微米级晶格中的隧穿速率是否足够大，以进入费米-Hubbard模型的强关联区域？
• RQ5 能否通过声光束导引技术高保真地生成并稳定任意阱形几何构型，包括环形晶格？

主要发现

• 该系统在对束缚⁶Li费米气体进行局域成像时，实现了最高660 nm的空间分辨率。
• 实现了最小为1微米的位点间距的任意光学势阱，可对各个晶格位点实现精确控制。
• 通过声光偏转成功实现了4×4二维光晶格与8位点环形晶格构型。
• 在设计的势阱中，实验上成功演示了少量原子的位点分辨装载与探测。
• 由于⁶Li的低质量与微米级位点间距，所设计晶格中的隧穿速率足够大，适用于Hubbard模型的量子模拟。
• 双物镜系统实现了高分辨率成像与光学操控的同步进行，构成一个强大的平台，用于对超冷费米子实现局域量子控制。