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量子模拟的突破：光学晶格中的镱原子

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由高桥义郎教授及其同事的京都大学的研究人员开发了一种新方法来测量光学晶格中具有六个自旋分量的超冷费米子镱原子的最近相邻之间的自旋相关性。

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量子模拟的突破：光学晶格中的镱原子由高桥义郎教授及其同事的京都大学的研究人员开发了一种新方法来测量光学晶格中具有六个自旋分量的超冷费米子镱原子的最近相邻之间的自旋相关性。哈伯德模型和低温下出现的现象：莫特态、自旋相关态Hubbard模型被广泛认为是一种可以很好地描述固体中电子的晶格模型。在低温下，出现了一种莫特态，其中原子被隔离在晶格内。此外，在低温下，由于虚拟跳跃，相邻原子之间产生了自旋关联，这是反铁磁相和超导性的起源。尽管Hubbard模型适合描述这种转变，但很难用数值方法求解，尤其是对于大尺寸和自旋分量，因为现实系统太大，无法用可用的计算资源求解。相邻位点之间自旋相关性的测量在具有多个自由度的系统中，基态甚至在理论上处于绝对零度时也是未知的。京都大学的研究小组使用了具有六个自旋自由度的镱原子的费米同位素，并检测了光学晶格中相邻位置之间的自旋相关性（图1）。他们通过共振光去除自旋单线态原子对并观察剩余原子的数量，测量了自旋单线态和自旋三线态之间原子数量的差异。此外，他们将实验数据与理论合作者的数值计算进行了比较，1D系统中实现的温度约为隧道振幅的1/10。图1.SU（6）费米子Hubbard模型。摘自《自然物理学》第18卷，1276-1277页（2022）。用Andor EMCCD相机观测超冷原子所有的激光冷却实验都是在真空室中进行的。因此，操纵样本的方法是磁场和光。原子数的测量是通过测量共振光的吸收来完成的。要做到这一点，有必要观察两个光束之间的比率，一个有原子，另一个没有原子（图2）。图2.最近相邻相关性的熵依赖性。示出了绿色正方形（SU（6）1D）、红色点（SU（3）D）和蓝色三角形（SU（2）1D。实线显示没有拟合参数的数值计算。摘自《自然物理学》第18卷第1356-1361页（2022）。然而，实验装置轻微振动产生的干涉条纹干扰了这一测量。为了获得高质量的图像，应该以小于0.1ms的高速采集这两个图像，这在很大程度上是电实现（如AD转换器）的质量的函数，而不是CCD芯片的性能的函数。在本研究中，使用Andor DU-897克服了这一困难。多体系统的量子模拟器量子多体系统是简单的模型，但在大尺度上，由于计算资源和时间的问题，它们无法在经典计算机上实际求解。费曼指出了这一点，他同时提出在一个遵循量子力学的系统中“模拟”系统，以有效地解决它。实验与理论的一致性表明，光学晶格中的冷却原子可以作为良好的量子模拟器。图3.透射光和参考光的典型图像。

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