Квантовые газовые микроскопы произвели революцию в квантовом моделировании, давая снимки многих тел с разрешением в один атом. Однако они видят лишь диагональ матрицы плотности — заселённости узлов. Недиагональные элементы, кодирующие фазовые соотношения между узлами, оставались недоступными локально. Соседние работы в архиве движутся в том же направлении: одни предлагают фазовый микроскоп для квантовых газов, другие используют интерферометрию Тальбота для измерения конечной фазовой когерентности, третьи извлекают недиагональный порядок из диагональных измерений. Наша работа стоит в этом ряду, но впервые доводит пространственное разрешение до одного узла в режиме Хаббарда.
В эксперименте с эрбиевыми атомами в двумерном слое трёхмерной оптической решётки решётку внезапно выключают, дают волновой функции свободно эволюционировать в течение долей времени Тальбота (29 микросекунд для половины периода), а затем включают фазонастраиваемую решётку и возвращают атомы обратно. Варьируя фазу решётки захвата, наблюдают модуляцию заполнения, амплитуда которой пропорциональна когерентности между узлами на заданном расстоянии. Для численного моделирования использовали DMRG и TEBD.
В гармонической ловушке центральная область с почти единичным заполнением показала резкое падение когерентности при увеличении отношения взаимодействия к туннелированию U/t от 10 до 30, что соответствует переходу сверхтекучесть–моттовский изолятор. Краевая область с заполнением около трети сохраняла высокую когерентность даже при U/t≈40. В инженерной двухцепочечной лестнице измерена когерентность между вторыми соседями: при U/t≈3 она быстро росла с включением межцепочечного туннелирования, а при U/t≈12 оставалась низкой. Экспериментальные данные количественно согласуются с симуляциями при едином глобальном масштабном коэффициенте η=0.47.
Отличие от соседних работ — в методе: вместо длительного разлёта или интерферометрии с многими атомами на узел здесь используется короткая эволюция Тальбота с последующим захватом, что даёт почти одноузельное разрешение в режиме одиночных атомов. Это позволяет различать сосуществующие фазы внутри одного облака, что невозможно при усреднении по всему образцу. Работа устанавливает новый протокол измерения для квантовой газовой микроскопии.
Технику можно распространить на фермионные системы, где программируемая эволюция перед измерением обещает выявить распределение импульсов, структуру поверхности Ферми и признаки нетрадиционной сверхпроводимости. Также можно измерять когерентность на больших расстояниях, чтобы изучать степенное затухание корреляций в квазидальнем порядке.
Метод повлияет на квантовое моделирование сильно коррелированных систем, квантовую метрологию и разработку квантовых симуляторов с локальным контролем.
Применить микроскоп к фермионным газам и к системам с нетривиальной топологией, а также улучшить эффективность захвата для количественного определения η.
В физике ультрахолодных атомов остаётся открытым вопрос о локальных фазовых переходах в неоднородных системах и о природе квазидальнего порядка в низкоразмерных квантовых газах. Данный метод даёт инструмент для прямого измерения недиагональных корреляций, необходимых для проверки теорий.
Этот раздел адресован автору работы и его коллегам. Соседние работы нашёл смысловой поиск по нашему архиву — не по совпадению слов, а по смыслу. Мы не рецензируем: мы показываем поле вокруг.
Что сделано в работе
В работе создан квантовый микроскоп когерентности, который с помощью эффекта Тальбота отображает недиагональные корреляции на плотность атомов с почти одноузельным разрешением. Метод проверен на переходе сверхтекучесть–моттовский изолятор и на инженерной лестнице, где удалось измерить когерентность за пределами ближайших соседей. Экспериментальные данные согласуются с численными симуляциями при едином масштабном коэффициенте.
В чём сила
Метод позволяет локально измерять фазовые корреляции в режиме одиночных атомов, что открывает путь к изучению пространственно неоднородных квантовых фаз и сосуществующих фаз внутри одного облака.
Куда можно двигаться
Что можно попробовать
Работы рядом в нашем архиве
Ближайшая работа архива — 0.68 по смысловой близости. Обычный для нашего корпуса уровень.
Эффект Тальбота, использованный здесь, был описан Генри Фоксом Тальботом в 1836 году для света, проходящего через решётку. Теперь он помогает рассматривать квантовые газы с точностью до одного атома.