[论文解读] Observing spin-squeezed states under spin-exchange collisions for a second

Meng-Zi Huang, Jose Alberto de la Paz+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 41被引用 10

一句话总结

本研究展示了在芯片基阱束缚原子钟中，超冷 87Rb 原子的自旋压缩态可维持长达 0.6 秒，得益于光纤法布里-珀罗腔和测量诱导压缩。关键发现是自旋交换碰撞在自旋与运动自由度之间诱导出此前未观测到的相关性，增强了腔体基自旋测量，并揭示了一种反馈机制，使在粒子损失情况下仍能保持计量学压缩。

ABSTRACT

Using the platform of a trapped-atom clock on a chip, we observe the time evolution of spin-squeezed hyperfine clock states in ultracold rubidium atoms on previously inaccessible timescales up to 1 s. The spin degree-of-freedom remains squeezed after 0.6 s, which is consistent with the limit imposed by particle loss and is compatible with typical Ramsey times in state-of-the-art microwave clocks. The results also reveal a surprising spin-exchange interaction effect that amplifies the cavity-based spin measurement via a correlation between spin and external degrees of freedom. These results open up perspectives for squeezing-enhanced atomic clocks in a metrologically relevant regime and highlight the importance of spin interactions in real-life applications of spin squeezing.

研究动机与目标

• 在与原子计量学相关的时标上观测超冷原子系综中自旋压缩态的长期演化，时间尺度超过以往实验常见的 10–100 ms 范围。
• 研究自旋交换碰撞在长时间尺度上对自旋压缩态动力学的影响。
• 探究在腔体介导的自旋测量装置中，自旋自由度与外部（运动）自由度之间的相互作用。
• 确定是否可在与现代原子钟中拉比测量时间相当的时间尺度上，保持具有计量学用途的自旋压缩。
• 识别并表征在腔体耦合多体系统中由自旋交换相互作用引发的意外反馈机制。

提出的方法

• 利用基于芯片的阱束缚原子钟平台，结合光纤法布里-珀罗腔，对集体自旋可观测量进行连续、高保真度测量。
• 采用腔体基量子非破坏性（QND）测量，通过与集体自旋 z 分量 Sz 成比例的频率移位 δω 生成自旋压缩态。
• 应用复合 π 脉冲和腔体探测透射测量，验证从几毫秒到 1 秒不等延迟 td 下的压缩效果。
• 利用吸收成像和腔体透射率交叉验证自旋布居差异，成像噪声处于标准量子极限水平（∆(N↑−N↓) ∼100）。
• 将探测脉冲持续时间固定为轴向阱周期（8.85 ms），以最小化因空间依赖的原子-腔耦合导致的非均匀退相干。
• 测量每次自旋翻转的系综平均自旋位移，Ωe = 2π × 16.2(3) kHz，以校准腔体响应并推断压缩程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在实际计量学条件下，超冷原子系综中的自旋压缩态能维持多长时间，特别是超过 100 ms 时？
• RQ2 自旋交换碰撞对长时间尺度（秒级）上自旋压缩态的稳定性和演化有何影响？
• RQ3 在腔体介导的自旋测量中，自旋与外部（运动）自由度之间是否可能产生关联？若存在，其对测量灵敏度有何影响？
• RQ4 自旋交换相互作用在多大程度上诱导出反馈机制，从而增强腔体基自旋读出信号？
• RQ5 所观测到的计量学压缩是否与粒子损失所施加的根本极限一致，还是存在其他退相干机制？

主要发现

• 观测到自旋压缩态的计量学压缩最高达 8.6 dB，可持续 0.6 秒，与粒子损失限制的相干时间一致。
• 该系统在 0.6 秒内保持计量学压缩，与现代微波原子钟中的典型拉比测量时间兼容。
• 由于自旋交换碰撞诱导的自旋与外部自由度之间的相关性，出现一种新型反馈机制，且该机制在腔体相互作用下被增强。
• 该相关性增强了腔体基自旋测量信号，揭示了自旋交换相互作用在增强测量灵敏度方面此前未被发现的作用。
• 当考虑粒子损失时，所观测到的自旋压缩演化与理论模型一致，表明自旋交换效应是这些时间尺度上主导的非损失退相干通道。
• 腔体测量与吸收成像结果在成像噪声（∼100）范围内一致，证实了在标准量子极限水平下自旋测量协议的可靠性。