[论文解读] Interband heating processes in a Floquet-driven optical lattice

Christoph Sträter, André Eckardt|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2016

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 2

一句话总结

本文通过数值模拟和弗洛凯空间中的解析简并微扰理论，研究了周期调制光晶格中的多光子带间激发。结果表明，在低驱动频率下，带间加热被指数抑制，并在驱动强度超过阈值时出现急剧的 onset 行为，这种行为预计在各类周期驱动的晶格系统中均具有普适性。

ABSTRACT

We investigate multi-photon interband excitation processes in an optical lattice that is driven periodically in time by a modulation of the lattice depth. Assuming the system to be prepared in the lowest band, we compute the excitation spectrum numerically. Moreover, we estimate the effective coupling parameters for resonant interband excitation processes analytically, employing degenerate perturbation theory in Floquet space. We find that below a threshold driving strength, interband excitations are suppressed exponentially with respect to the inverse driving frequency. For sufficiently low frequencies, this leads to a rather sudden onset of interband heating, once the driving strength reaches the threshold. We argue that this behavior is rather generic and should also be found in lattice systems that are driven by other forms of periodic forcing. Our results are relevant for Floquet engineering, where a lattice system is driven periodically in time in order to endow it with novel properties like the emergence of a strong artificial magnetic field or a topological band structure. In this context, interband excitation processes correspond to detrimental heating.

研究动机与目标

• 理解周期驱动光晶格中多光子带间激发的机制。
• 识别在时间周期性晶格系统中带间加热被抑制或增强的条件。
• 利用弗洛凯空间中的解析方法，估算共振带间跃迁的有效耦合参数。
• 评估所观察到的加热行为在不同形式周期驱动下的普适性。
• 为最小化弗洛凯工程应用中不利加热提供见解。

提出的方法

• 数值计算周期调制光晶格中激发谱，系统初始制备于最低能带。
• 在弗洛凯形式框架内应用简并微扰理论，以解析估算带间跃迁的有效耦合参数。
• 分析带间激发速率对驱动频率和振幅的依赖关系。
• 识别出在驱动强度低于某一阈值时，带间激发被指数抑制。
• 通过调制晶格深度实现时间周期性驱动，以模拟弗洛凯工程条件。
• 将数值结果与解析估计进行比较，以验证抑制机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在周期驱动光晶格中，带间激发速率如何依赖于驱动频率和振幅？
• RQ2 简并微扰理论在弗洛凯空间中对估算带间跃迁有效耦合参数有何作用？
• RQ3 在何种条件下，驱动晶格系统中的带间加热被指数抑制？
• RQ4 为何在低频下，带间加热在驱动强度达到临界值时出现突然 onset？
• RQ5 所观察到的加热行为在不同类型的周期驱动中具有多大程度的普适性？

主要发现

• 在临界阈值以下，带间激发随驱动频率的倒数呈指数抑制。
• 当驱动频率足够低时，一旦驱动强度超过阈值，带间加热将出现急剧的 onset。
• 基于弗洛凯空间中简并微扰理论的解析估计准确捕捉了抑制行为。
• 所观察到的抑制与突然 onset 机制具有鲁棒性，预计在各种周期驱动方案中均具有普适性。
• 结果强调了控制驱动参数以最小化弗洛凯工程系统中不利加热的重要性。
• 研究结果直接关系到在超冷原子系统中实现稳定的人工规范场与拓扑能带结构。