[论文解读] Probing site-resolved correlations in a spin system of ultracold molecules

Lysander Christakis, Jason S. Rosenberg+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 6

一句话总结

本研究利用量子气体显微镜，实现了对超冷 23Na87Rb 分子二维光晶格中量子关联的位点分辨测量。通过将自旋-1/2 自由度编码在转动态中，并调控偶极相互作用，作者观测到了各向同性和各向异性自旋模型在热化过程中的实时自旋关联动力学，实现了高保真度的单点位探测，并通过单一振幅缩放因子验证了理论预测。

ABSTRACT

Synthetic quantum systems with interacting constituents play an important role in quantum information processing and in elucidating fundamental phenomena in many-body physics. Following impressive advances in cooling and trapping techniques, ensembles of ultracold polar molecules have emerged as a promising synthetic system that combines several advantageous properties. These include a large set of internal states for encoding quantum information, long nuclear and rotational coherence times and long-range, anisotropic interactions. The latter are expected to allow the exploration of intriguing phases of correlated quantum matter, such as topological superfluids, quantum spin liquids, fractional Chern insulators and quantum magnets. Probing correlations in these phases is crucial to understand their microscopic properties, necessitating the development of new experimental techniques. Here we use quantum gas microscopy to measure the site-resolved dynamics of quantum correlations in a gas of polar molecules in a two-dimensional optical lattice. Using two rotational states of the molecules, we realize a spin-1/2 system where the particles are coupled via dipolar interactions, producing a quantum spin-exchange model. Starting with the synthetic spin system prepared far from equilibrium, we study the evolution of correlations during the thermalization process for both spatially isotropic and anisotropic interactions. Furthermore, we study the correlation dynamics in a spin-anisotropic Heisenberg model engineered from the native spin-exchange model using Floquet techniques. These experiments push the frontier of probing and controlling interacting systems of ultracold molecules, with prospects for exploring new regimes of quantum matter and characterizing entangled states useful for quantum computation and metrology.

研究动机与目标

• 探究超冷极性分子合成自旋系统中，具有位点分辨能力的实时量子关联动力学。
• 研究具有各向同性和各向异性偶极相互作用的长程自旋系统中的热化过程。
• 利用本征自旋交换相互作用，实现并验证一种弗洛凯工程的自旋各向异性海森堡模型。
• 在致密且强关联的分子量子气体中实现高保真度的单分子探测，为未来的量子模拟与计算提供支持。

提出的方法

• 利用高数值孔径物镜的量子气体显微镜，实现了二维光晶格中单分子荧光成像。
• 利用 23Na87Rb 分子的两个转动态编码自旋-1/2 自由度，形成具有长程偶极相互作用的合成自旋系统。
• 采用往返 STIRAP 将分子从费什巴奇分子态高保真度地转移至振转基态。
• 系统初始处于非平衡态，通过量子和无序平均的密度-密度关联，测量时间分辨的位点分辨关联函数。
• 理论模拟采用有限晶格上 XY 和 XXZ 哈密顿量的精确对角化，边界条件为周期性，且包含真实的长程相互作用。
• 关联函数通过按局部密度加权的概率采样晶格区域块计算得出，与实验的径向密度分布相匹配。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超冷分子偶极自旋系统中，量子关联在热化过程中的实时演化行为如何？
• RQ2 自旋各向异性和长程相互作用在量子关联的位点分辨动力学中表现出何种特征？
• RQ3 弗洛凯工程在多大程度上可将本征自旋交换相互作用转化为具有可调各向异性的海森堡型模型？
• RQ4 包含真实长程相互作用和非均匀密度分布的理论模型，在多大程度上能再现实验测得的关联数据？

主要发现

• 实验实现了对超冷分子二维晶格中自旋关联的高保真度和高空间分辨率的位点分辨探测。
• 在各向同性和各向异性自旋模型中测得的关联动力学与理论模拟结果高度一致，仅需单一振幅缩放因子（1.20(4) 至 1.27(7)）。
• 关联函数清晰表现出长程偶极相互作用的特征，其空间衰减行为与理论预测一致。
• 弗洛凯工程的自旋各向异性海森堡模型成功再现了实验数据中预期的各向异性关联图案。
• 理论模拟通过按密度加权的概率采样不同局部密度的晶格区域块，考虑了非均匀密度的影响，从而提高了与实验数据的一致性。
• 振幅缩放因子略微偏离单位值（如图 4f-h 中为 0.48(3)），可能源于密度分布建模不准确或数据采集过程中原子数缓慢漂移。