[论文解读] Synthetic dimensions in ultracold molecules: quantum strings and membranes

Bhuvanesh Sundar, Bryce Gadway+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2017

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 71被引用 23

一句话总结

本文提出利用超冷极性分子的旋转态作为合成维度，实现高达数百个合成晶格位点。微波驱动可调谐的隧穿过程，实现拓扑能带结构的工程化，并在强偶极相互作用下诱导自发维度减少，形成量子弦或膜结构，其上可探测到涌现的玻色凝聚态，通过旋转态布居数可实现检测。

ABSTRACT

Synthetic dimensions alter one of the most fundamental properties in nature, the dimension of space. They allow, for example, a real three-dimensional system to act as effectively four-dimensional. Driven by such possibilities, synthetic dimensions have been engineered in ongoing experiments with ultracold matter. We show that rotational states of ultracold molecules can be used as synthetic dimensions extending to many - potentially hundreds of - synthetic lattice sites. Microwaves coupling rotational states drive fully controllable synthetic inter-site tunnelings, enabling, for example, topological band structures. Interactions leads to even richer behavior: when molecules are frozen in a real space lattice with uniform synthetic tunnelings, dipole interactions cause the molecules to aggregate to a narrow strip in the synthetic direction beyond a critical interaction strength, resulting in a quantum string or a membrane, with an emergent condensate that lives on this string or membrane. All these phases can be detected using measurements of rotational state populations.

研究动机与目标

• 利用极性分子的旋转态在超冷量子系统中实现大规模合成维度。
• 展示微波驱动的旋转态跃迁可实现完全可调谐的合成晶格隧穿。
• 探究长程偶极相互作用如何诱导合成维度自发减少为量子弦或膜结构。
• 预测在这些低维结构上涌现的硬核玻色子凝聚态。
• 提供基于旋转态布居数测量的实验可探测协议。

提出的方法

• 将超冷极性分子的旋转态用作合成晶格中的位点，扩展至数百个位点。
• 通过可调幅度、相位和频率的共振微波驱动位点间隧穿。
• 施加静态电场以抑制选定旋转态子空间外的跃迁，确保有效隔离。
• 使用具有可调隧穿和位点势能的合成单粒子哈密顿量建模系统。
• 在真实空间中引入分子间的长程偶极-偶极相互作用，以诱导多体效应。
• 采用簇平均场理论和自洽解分析超流相，并识别手性、非交换的伊辛任意子态。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用超冷极性分子的旋转态实现高达数百个晶格位点的大规模合成维度？
• RQ2 如何通过微波控制旋转态跃迁实现合成隧穿和位点势能的完全可调？
• RQ3 当偶极相互作用在由旋转态构成的合成晶格中较强时，会涌现出哪些多体物相？
• RQ4 该系统中偶极相互作用是否可导致自发维度减少为量子弦或膜结构？
• RQ5 当前实验中可采用哪些信号来探测合成弦或膜上涌现的凝聚态？

主要发现

• 超冷极性分子的旋转态可形成高达数百个晶格位点的合成维度，实现大规模合成系统。
• 微波驱动的旋转态间隧穿可实现对合成单粒子哈密顿量的完全控制，包括拓扑能带结构的工程化。
• 在强偶极相互作用下，分子在合成维度中自发聚集为窄条带，形成量子弦或膜结构。
• 该系统在弦或膜上存在涌现的硬核玻色子凝聚态，可通过旋转态布居数测量实现探测。
• 自洽解揭示了非手性和手性超流相，其中手性相对应于物理子空间中的非交换伊辛任意子序。
• 簇平均场计算显示最低变分能量，证实了所预测物相的稳定性，并验证了简化近似在定性分析中的有效性。