[论文解读] Lattice-induced rapid formation of spin singlets in spin-1 spinor condensates

Lichao Zhao, Tao Tang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 6

一句话总结

本研究证明，将立方光学晶格与自旋-1自旋序超冷玻色-爱因斯坦凝聚体结合，可通过放松严格的实验约束，实现快速、非绝热的自旋单重态形成——即总自旋为零且高度纠缠的量子态。通过微波编织与晶格诱导的相互作用增强，首次一级超流- Mott 绝缘相变后，约 80% 的原子立即形成自旋单重态，该结果通过自旋占据数与旋转测量得到验证，且基于现象学模型的理论预测与实验数据完全吻合，无需调节参数。

ABSTRACT

We experimentally demonstrate that combining a cubic optical lattice with a spinor Bose-Einstein condensate substantially relaxes three strict constraints and brings spin singlets of ultracold spin-1 atoms into experimentally accessible regions. About 80 percent of atoms in the lattice-confined spin-1 spinor condensate are found to form spin singlets, immediately after the atoms cross first-order superfluid to Mott-insulator phase transitions in a microwave dressing field. A phenomenological model is also introduced to well describe our observations without adjustable parameters.

研究动机与目标

• 为克服限制超冷自旋-1原子中自旋单重态形成之严格实验约束，如零二次塞曼能与零磁化强度的严格要求。
• 通过利用立方光学晶格增强原子间相互作用并降低局域原子数的能力，实现自旋序玻色-爱因斯坦凝聚体中快速、非绝热的自旋单重态制备。
• 通过诱导原子重新分布至偶占据位点的晶格升压序列，实验演示自旋单重态可在实验可行区域内被实现。
• 通过两种独立探测方法验证自旋单重态的形成：自旋占据数分布与共振射频脉冲下的自旋旋转不变性。
• 建立并验证一个无需调节参数即可解释观测到的自旋单重态分数的现象学模型。

提出的方法

• 实验采用 1.2×10⁵ 个钠原子的自旋-1自旋序玻色-爱因斯坦凝聚体，处于纵向极化（LP）或横向极化（TP）态，加载至立方光学晶格中，诱导一级超流- Mott 绝缘相变。
• 晶格通过增强位点内相互作用并使平均每个位点的原子数降低五个数量级，使原本因参数约束而无法实现的自旋单重态区域变为可实现。
• 构建一个现象学模型以描述自旋单重态分数，该模型考虑原子重新分布至偶占据 Mott 楔（n=2,4,6）及由此产生的自旋占据数分布，其表达式见式（3），涉及不同楔中自旋占据数的加权平均。
• 通过测量 m_F=0 态的分数占据数（ρ₀）及其在绕 x 轴进行 π/2 自旋旋转后保持不变，探测自旋单重态的形成，该不变性特征为自旋单重态所特有。
• 通过将模型预测与实验中 ρ₀ 在有无自旋旋转条件下的数据进行比较，验证模型，结果在不同二次塞曼能（q）值下均表现出极佳一致性。
• 通过参考方法从测量的 ρ₀ 值中提取自旋单重态分数 f_ss，从而实现对形成自旋单重态的原子比例的定量评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过结合光学晶格与自旋序 BEC，实现超冷自旋-1原子中自旋单重态的快速、非绝热形成？
• RQ2 晶格增强的相互作用与降低的局域原子数在多大程度上缓解了形成自旋单重态所要求的二次塞曼能与磁化强度的严格限制？
• RQ3 在晶格约束下的自旋-1自旋序凝聚体中，一级 SF-MI 相变后立即形成自旋单重态的原子占多大比例？
• RQ4 能否基于偶占据 Mott 楔中原子重新分布的现象学模型，无需调节参数即可定量解释观测到的自旋占据数与旋转不变性数据？
• RQ5 实验特征如自旋占据数均匀性与旋转不变性如何证实晶格约束系统中自旋单重态的存在？

主要发现

• 在晶格约束下的自旋-1自旋序凝聚体中，一级超流- Mott 绝缘相变后立即形成约 80% 的自旋单重态，该结果通过自旋占据数分布与自旋旋转不变性测量双重验证。
• 自旋单重态分数 f_ss 在二次塞曼能范围 -4 Hz ≤ q/h ≤ 0 Hz 内达到约 80%，表明在零场附近可实现高保真度的单重态形成。
• 式（3）中的现象学模型，考虑了原子重新分布至偶占据 Mott 楔（n=2,4,6）的情况，无需调节参数即可准确预测测量到的自旋占据数 ρ₀。
• 该模型的预测在自旋旋转前后均与实验数据一致，两组数据在 q≈0 附近汇聚至 ρ₀ ≈ 1/3，证实了旋转不变性与自旋单重态特性。
• 由于约 10% 的原子仍处于无法形成自旋单重态的 n=1 Mott 楔中，最大可实现的自旋单重态分数被限制在约 90%。
• 结果表明，光学晶格可实现快速、非绝热地访问自旋单重态，突破了以往对参数空间与制备时间的限制。