[论文解读] Observation of spin-space quantum transport induced by an atomic quantum point contact

K. Ono, Toshiya Higomoto+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 47被引用 14

一句话总结

本论文通过超冷 173Yb 原子在双轨道光晶格中的系统，首次在冷原子量子点接触（QPC）中实现了自旋空间的量子输运。利用局域杂质引起的自旋依赖相移，系统在合成自旋空间中诱导量子输运，而非真实空间，从而实现了由 Landauer-Büttiker 公式描述的自旋翻转动力学。关键结果是通过 Ramsey 干涉测量直接观测到自旋空间电流，输运速率可通过磁场调控，有效一维散射长度在 135 Gauss 时达到 2667aB。

ABSTRACT

Quantum transport is ubiquitous in physics. So far, quantum transport between terminals has been extensively studied in solid state systems from the fundamental point of views such as the quantized conductance to the applications to quantum devices. Recent works have demonstrated a cold-atom analog of a mesoscopic conductor by engineering a narrow conducting channel with optical potentials, which opens the door for a wealth of research of atomtronics emulating mesoscopic electronic devices and beyond. Here we realize an alternative scheme of the quantum transport experiment with ytterbium atoms in a two-orbital optical lattice system. Our system consists of a multi-component Fermi gas and a localized impurity, where the current can be created in the spin space by introducing the spin-dependent interaction with the impurity. We demonstrate a rich variety of localized-impurity-induced quantum transports, which paves the way for atomtronics exploiting spin degrees of freedom.

研究动机与目标

• 在冷原子系统中，利用局域杂质作为量子点接触（QPC），实现合成自旋空间中的量子输运。
• 展示杂质散射引起的自旋依赖相移，从而产生有效的自旋空间电流。
• 提供一个利用自旋自由度而非空间分离的输运端口，用于多端口输运的量子模拟平台。
• 探索自旋相干性和相位差在输运动力学中的作用，与非平衡 Anderson 正交性灾难相关。
• 通过超冷费米子和亚稳态杂质，实验验证自旋空间两终端系统中的 Landauer-Büttiker 公式。

提出的方法

• 在准一维光势阱中制备了 1S0 态（|g⟩）的 1D 排斥相互作用费米气体，以及局域的 3P0 亚稳态杂质（|e⟩）。
• 利用拉曼脉冲制备叠加态 |+⟩ = (|↑⟩ + |↓⟩)/√2，启动自旋空间输运。
• 在时间延迟（保持时间）期间，原子因局域杂质散射而获得自旋依赖的相移 δσ(ε)。
• 通过 Ramsey 干涉测量最终自旋态，利用 OSG（光学态制备与读出）光探测自旋翻转概率。
• 利用自旋空间电流的 Landauer-Büttiker 公式，通过相移差 δ↑(ε) − δ↓(ε) 计算透射率 Tθ=π/2(ε)。
• 数值求解 (0+1)D 系统中的 Lippmann-Schwinger 方程，提取相移和有效一维散射长度 a1D，作为磁场的函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅通过局域杂质作为 QPC，在无空间分离输运端口的情况下，在自旋空间中诱导量子输运？
• RQ2 磁场如何调控有效一维散射长度，从而影响自旋空间输运动力学？
• RQ3 相位差 δ↑(ε) − δ↓(ε) 在生成自旋翻转概率和有效电流中的作用是什么？
• RQ4 该系统的输运行为与合成自旋维度中 Landauer-Büttiker 公式的预测相比如何？
• RQ5 能否通过输运诱导的自旋动力学探测局域杂质的自旋相干性，以研究非平衡量子效应？

主要发现

• 通过 Ramsey 干涉测量成功观测到自旋空间量子输运，自旋翻转概率 sin²(δ↑(ε) − δ↓(ε)) 直接测量了输运电流。
• 在 135 Gauss 时，有效一维散射长度达到 a1D/aB = 2667（对应 ∆mF = 5），相比 45 Gauss 显著增强输运动力学。
• 对于 l = 1（奇宇称散射），在 135 Gauss 时的相移差 δ↑(ε) − δ↓(ε) 大于 45 Gauss 时，解释了更快的输运速率。
• 使用 Landauer-Büttiker 公式的输运动力学数值模拟与实验数据良好吻合，∆N/N 随保持时间延长至 45 ms。
• 通过控制磁场可实现输运的可调谐性，磁场改变散射相移和有效相互作用强度。
• 输运电流由 I₊→₋ = Nimp ∫ dε Tθ=π/2(ε) [f(ε − μ+) − f(ε − μ−)] 定量描述，证实了真实空间量子输运在自旋空间中的类比。