[论文解读] The time-domain Landau-Zener-Stuckelberg-Majorana interference in optical lattice clock

Weixin Liu, Tao Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2021

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 52被引用 12

一句话总结

本文提出了一套理论框架，通过在‘魔法’波长附近周期性调制1D $^{87}$Sr光晶格钟（OLC）的晶格频率，实现对时域Landau-Zener-St"uckelberg-Majorana（LZSM）干涉的观测。利用绝热-冲量模型和Floquet数值模拟，即使在热去相位影响下，也展示了在快速和慢速通过 regimes 中均具有类似拉比振荡的阶梯状布居结构的鲁棒振荡。关键贡献在于为实验观测原子系统中的LZROs提供了切实可行的路线图，此前由于相干性限制而未能实现。

ABSTRACT

The interference between a sequence of Landau-Zener (LZ) transitions can produce Rabi oscillations(LZROs). This phenomenon is a kind of time-domain Landau-Zener-Stuckelberg-Majorana (LZSM) interference. However, experimental demonstrations of this LZSM interference induced Rabi oscillation are extremely hard due to the short coherence time of the driven quantum system. Here, we study theoretically the time-domain LZSM interference between the clock transition in one-dimensional (1D) Sr-87 optical lattice clock (OLC) system. With the help of both the adiabatic-impulse model and Floquet numerical simulation method, the LZROs with special step-like structure are clearly found both in fast- and slow-passage limit in the real experiment parameter regions. In addition, the dephasing effect caused by the system temperature can be suppressed with destructive interference in the slow-passage limit. Finally, we discuss the possible Bloch-Siegert shift while the pulse time is away from the half-integer and integer periods. Our work provides a clear roadmap to observe the LZROs on the OLC platform.

研究动机与目标

• 证明在1D $^{87}$Sr光晶格钟（OLC）系统中观测时域Landau-Zener-Rabi振荡（LZROs）的可行性。
• 通过识别在OLC平台中LZROs可观测的参数区域，克服量子系统中相干时间短的实验挑战。
• 分析受驱动OLC系统中LZSM干涉、温度引起的去相位以及Bloch-Siegert位移之间的相互作用。
• 为使用现有或近未来实验装置在原子系统中实验实现LZROs提供理论路线图。

提出的方法

• 使用具有时间周期调制的光子辅助Landau-Zener-St"uckelberg-Majorana（LZSM）哈密顿量，对受驱动OLC系统进行理论建模。
• 采用绝热-冲量模型（AIM）以解析方式描述时间演化，并预测具有有效拉比频率的LZROs。
• 利用Floquet理论和对无限维Floquet哈密顿量（截断为161个块）的数值对角化，精确模拟系统动力学。
• 将AIM预测结果与高精度Floquet模拟结果进行比较，以验证在快速和慢速通过 regimes 中分析框架的可靠性。
• 通过在慢速通过极限下引入去相位效应来包含温度影响，表明其可通过破坏性干涉被抑制。
• 分析非整数和半整数驱动周期引起的频率位移，包括类似Bloch-Siegert的位移。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实实验参数下，时域LZSM干涉是否能在1D $^{87}$Sr光晶格钟中产生可观测的类似拉比振荡（LZROs）？
• RQ2 热去相位如何影响LZROs的可见度和相干性，且在慢速通过区域是否可被缓解？
• RQ3 驱动频率和振幅在产生LZROs中阶梯状布居振荡方面起什么作用？
• RQ4 偏离整数和半整数驱动周期如何影响有效拉比频率，并导致类似Bloch-Siegert的位移？
• RQ5 绝热-冲量模型与Floquet模拟在预测LZROs特征方面的一致性程度如何？

主要发现

• 通过Floquet模拟，在快速和慢速通过 regimes 中均清晰观察到LZROs特征的阶梯状布居振荡，即使超出分辨边带近似范围。
• 绝热-冲量模型准确预测了LZROs的有效拉比频率，与数值Floquet结果高度一致。
• 在慢速通过极限下，由于破坏性干涉，热去相位被抑制，从而增强了LZROs的可见度。
• 在慢速通过区域，即使在半整数驱动周期下，有效拉比频率也与从绝热基中推导出的解析表达式一致。
• 非整数和半整数驱动周期在有效拉比频率中引入了可测量的类似Bloch-Siegert的位移，实验校准时必须予以考虑。
• 本研究为使用现有或近未来实验装置在光晶格钟中实验观测LZROs提供了经过验证的理论路线图。