[论文解读] Observation of the Sign Reversal of the Magnetic Correlation in a Driven-Dissipative Fermi Gas in Double Wells

Kantaro Honda, Shintaro Taie+4 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 4

一句话总结

本研究通过光致结合诱导的受控位点双体损耗，在双阱光晶格中的驱动-耗散超冷费米气体中展示了磁关联符号从反铁磁性到铁磁性的反转。观测到的铁磁自旋关联与长时间形成Dicke型多体态的理论预测一致，展示了耗散作为开放量子系统中工程化量子磁性的工具。

ABSTRACT

We report the observation of the sign reversal of the magnetic correlation from antiferromagnetic to ferromagnetic in a dissipative Fermi gas in double wells, utilizing the dissipation caused by on-site two-body losses in a controlled manner. We systematically measure dynamics of the nearest-neighbor spin correlation in an isolated double-well optical lattice, as well as a crossover from an isolated double-well lattice to a one-dimensional uniform lattice. In a wide range of lattice configurations over an isolated double-well lattice, we observe a ferromagnetic spin correlation, which is consistent with a Dicke type of correlation expected in the long-time limit. This work demonstrates the control of quantum magnetism in open quantum systems with dissipation.

研究动机与目标

• 研究工程化耗散在驱动费米气体中磁关联符号反转中的作用。
• 实验实现并控制具有位点双体损耗的驱动-耗散费米-Hubbard系统。
• 通过自旋关联测量探测开放量子系统中Dicke型关联的涌现。
• 系统研究在受控耗散下，从孤立双阱到一维均匀晶格的演化过程。
• 提供耗散系统中铁磁自旋关联的直接实验证据，此前仅通过间接方式推断。

提出的方法

• 实验使用可调谐光学超晶格将六组分简并费米气体 173Yb 加载至晶格，实现二聚化和一维均匀晶格结构。
• 通过光致结合（PA）激光诱导位点双体损耗，选择性移除单重态对，从而调控自旋关联。
• 利用自旋回声技术结合飞行时间（STO）成像测量最近邻自旋关联的动力学，提取关联振幅。
• 系统由含Lindblad主方程的耗散费米-Hubbard哈密顿量建模，双体损耗由算符 $ \hat{L}_{j\sigma\sigma'} = \sqrt{2\gamma} \hat{c}_{j\sigma} \hat{c}_{j\sigma'} $ 描述。
• 损耗速率 $ \gamma $ 通过调节PA激光强度和持续时间进行控制，实现耗散强度的系统性调节。
• 通过调节长波长晶格深度，实现从孤立双阱到一维晶格的演化，从而控制双阱间跃迁。

实验结果

研究问题

• RQ1 工程化耗散是否能在费米气体中诱导磁关联符号从反铁磁性到铁磁性的反转？
• RQ2 位点双体损耗的存在在多大程度上促进晶格中Dicke型纠缠态的形成？
• RQ3 铁磁自旋关联的涌现如何依赖于晶格几何结构和耗散强度？
• RQ4 在受控耗散下一维均匀晶格中是否可观测到铁磁自旋关联？
• RQ5 自旋关联的动力学是否可用于推断开放量子系统中长寿命Dicke态的形成？

主要发现

• 在孤立双阱晶格中，归一化STO振幅 $ A $ 达到 $ -0.042(5) $，表明自旋关联符号从反铁磁性明确反转为铁磁性。
• 观测到的铁磁关联与理论模型预测的Dicke型态长时间极限一致。
• 在一维均匀晶格中 $ s_{\text{long}}^{(z)} = 0 $ 时，STO振幅为 $ A = -0.010(6) $，为负值且统计显著，证实了铁磁序的存在。
• 在一维均匀晶格中采用更深的长波长晶格时，$ A = -0.023(5) $，进一步证实铁磁关联的持续存在。
• 在低长晶格深度下铁磁关联的抑制归因于PA照射期间双阱间跃迁的干扰，该过程与损耗诱导关联形成相竞争。
• 自旋关联随双阱间跃迁速率 $ 2t_{\text{PA}}t/\hbar $ 的测量依赖关系与理论预期定性一致，表明对隧穿与耗散竞争关系的调控。