Nature:單里德伯原子的可調節二維排列實現量子伊辛模型

自旋模型是用于簡化復雜強相關真實材料多體哈密頓量的典范。但是目前的問題在于盡管這一模型已經對哈密頓量進行了簡化，但是當粒子數超過幾十時仍無法在經典計算機上對其進行動力學模擬。因此，在過去幾年里，利用原子和分子物理學的各種工具進行自旋哈密頓量量子模擬是非常活躍的領域，主要通過超冷原子、光晶格中的分子或離子阱進行這方面研究。所有的方法都有其獨特的優點，但是一些局限性限制了這些方法的廣泛運用。

近期，法國國家科學研究院的Thierry Lahaye（通訊作者）等人報道了一種新的用于研究自旋系統的平臺。這一研究利用的被囚禁的是單個原子，該原子被囚禁在任意形狀的光學微阱組成的可調節二維陣列中，這一結構的填充分數一般在60％至100％的范圍內。當激發高能里德伯D態時，原子發生強烈的相互作用，其各向異性的特征打開對外來模擬物質的道路。該研究小組通過多達30個自旋子的橫向場中的自旋為-1/2的類伊辛量子系統動力學證實了該系統的通用性，其適用于一維和二維多種幾何形狀以及寬范圍相互作用強度的情形。對于各向異性對動力學影響小的幾何結構，研究顯示其與自旋為-1/2的系統的第一性原理模擬結果吻合良好，而在強各向異性情況下D狀態的多級結構具有顯著影響。這一研究結果將會建立起作為量子磁研究通用平臺的單里德伯原子排列。

圖1 ?里德伯原子的多體動力學和實驗平臺。a，兩原子間（主面板，右下）的里德伯封鎖，每個都被視為二能級系統（灰色插圖）：由于里德伯態|r?之間強烈的相互作用，相鄰兩原子（在封鎖半徑Rb內）的激發被抑制。當原子的描述被減少到二級模型時，|r?的nD3/2的使用會引起各向異性有效范德華勢C6(θ)/R6（見插圖）。b，當Rb值與相鄰原子之間的距離可比較時（頂部），動力學作用將會更加豐富。其中，兩個相鄰的原子激發配置是被有力禁止的（紅叉），在允許的配置中（綠鉤）里德伯激發之間產生很強的相關性。c，微陷阱排列通過在偶極阱波束上壓印合適的相位制得。在780nm處的原子位置分辨熒光，通過分色鏡相機（DM）在電子倍增電荷耦合器件（EMCCD）相機上成像。795 nm和475 nm的里德伯激發束照射在原子上。插圖，測量用于Nt = 19個阱排列的光強度。

圖2? 完全里德伯封鎖機體中的集體震蕩。a，在Ωτ區域里施加激勵脈沖之后N個原子在態|g?上的概率P0，其中N是從1到15的五個值（1、3、9、12和15）。紅色點，滿載陣列，n=82；藍點，Nt= 19個阱時部分加載的三角陣列，n = 100（誤差線顯示了約100次重復實驗得到的量子投影噪聲）。實線與頻率為ΩN的阻尼震蕩正弦曲線相擬合。右邊的面板描繪了原子的位置。b，集體振蕩頻率ΩN /Ω對N的曲線（誤差線，有時比符號尺寸更小，其表示的是標準差；點的顏色含義和a圖中相同）。實線預期是隨√N增強的。

圖3??周期性邊界條件下的八自旋鏈的調諧相互作用。a，獨立原子（Rb < a）。右圖，里德伯分數fR以單原子拉比頻率Ω在～0和～1之間震蕩。b，強相關機制（Rb≈1.5a）。右圖，里德伯分數顯示出涉及多個頻率的振蕩行為。c，完全封鎖機制：fR以√N Ω振蕩（右圖），其最大值為1 / N。在a-c中，左圖顯示了八個自旋鏈，和陰影橢圓示出各向異性的封鎖區域。d，里德伯對相關函數，作為b的參數，在圖中顯示了Ωτ增加時它的變化趨勢（從上到下）。在所有的圖中，實線是通過數值求解含時薛定諤方程得到的，然后在圖中包括了檢測誤差（ε=3％）。誤差線（通常比符號的大小更小）表示標準誤。

圖4??大自旋系綜的伊辛動力學。a，具有Nt=30個阱的跑道形陣列裝載有N = 20±1.5個原子。封鎖半徑Rb約為4.3a（陰影橢球）。b，c，a中系統的性能。b，里德伯分數fR的時間演化。c，Ωτ約為2.0的里德伯對相關函數g(2)(k)對于k <Rb顯示出強烈耗盡，和在漸近值1周圍上下振蕩（數據僅示出了k> 0的情況，因為它們在k→-k的變換下是對稱的）。誤差線（大多數時間比符號尺寸小）表示標準誤。實線是沒有任何可調整參數的模擬結果。d，7× 7 個阱的正方形排列具有N =28± 1.6個原子。封鎖半徑約為2.6a。e，f，d中系統的性能。e，fR的演變。誤差線（大多數時間比符號尺寸小）表示標準誤。實線是沒有任何可調整參數的模擬結果。f，Ωτ為5.3的里德伯對相關函數g(2)(k,l)。

【結論】

本文展示的形狀和相互作用寬可調節性開辟了研究數十個粒子自旋系統物理學的道路。利用這一平臺，尤其是結合最近證實的光學鑷子的準決定性裝載，將會非常適合于從少體物理到多體物理的轉變、強相互作用封閉量子系統的熱能化或者量子淬火之后糾纏的動態出現等的研究。利用不同的里德伯態之間的共振偶極相互作用，遠距離耦合的XY哈密頓量將能在該系統中實現。最后，利用里德堡態的塞曼結構很有希望實現更復雜的哈密頓量，并以此探索高自旋物理或實現拓撲絕緣體等。

文獻鏈接：Tunable two-dimensional arrays of single Rydberg atoms for realizing quantum Ising models （Nature，2016，DOI:10.1038/nature18274）

本文由材料人編輯部學術組天行健供稿，材料牛編輯整理。

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