DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09377-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40836087
تاريخ النشر: 2025-08-20
المؤلف: Qiao Mu وآخرون
الموضوع الرئيسي: فيزياء الذرات الباردة وتكثيف بوز-أينشتاين
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون إعداد التجربة لتنفيذ نموذج t-J-V، باستخدام حالات ذرية وانتقالات محددة. تُعرف الحالات كما يلي: $|↓⟩ = |60S_{1/2}, m_J = 1/2⟩$، $|↑⟩ = |61S_{1/2}, m_J = 1/2⟩$، و $|h⟩ = |60P_{3/2}, m_J = -1/2⟩$. يتم تطبيق حقل مغناطيسي كمي بقوة 46 G في المستوى الذري لملاقط الضوء. تم تحديد ترددات الموجات الدقيقة الرنانة للانتقالات $|↓⟩ \leftrightarrow |h⟩$ و $|h⟩ \leftrightarrow |↑⟩$ على أنها 17179 ميغاهيرتز و 17675 ميغاهيرتز، على التوالي، مع نبضات موجات دقيقة يتم توليدها بواسطة هوائيات خارجية.
لتحقيق انزلاقات ضوئية محددة للمواقع على الحالات $|↓⟩$ و $|↑⟩$، يتم استخدام ليزرين بطول 1014 نانومتر. يتم ضبط الليزر الأول بشكل أزرق بمقدار 300 ميغاهيرتز عن الانتقال إلى الحالة الوسيطة $|6P_{3/2}⟩$، مما يؤدي إلى انزلاق ضوئي $\delta_{↓} \sim -2\pi \times 40$ ميغاهيرتز للحالة $|↓⟩$. يتم تسهيل التحكم المحلي في هذا الانزلاق الضوئي من خلال الحيود على جهاز تعديل الضوء المكاني. يتم ضبط الليزر الثاني بشكل أحمر بمقدار 200 ميغاهيرتز عن الانتقال إلى $|↑⟩$، مما ينتج انزلاق ضوئي $\delta_{↑} \sim 2\pi \times 30$ ميغاهيرتز للحالة $|↑⟩$، مع تحقيق الحيود عبر جهاز تعديل الصوت البصري.
نقاش
في هذا القسم، يوضح المؤلفون الإجراءات الخاصة بتهيئة الحالة والكشف عنها في إعداد تجربتهم التي تتضمن ذرات ريدبرغ. في البداية، يتم تحميل الذرات في ملاقط الضوء وإعادة ترتيبها، تليها التبريد وضخ الضوء لتحضير حالات ذرية محددة. يصف المؤلفون تسلسلًا من نبضات الموجات الدقيقة والليزر المستخدمة للتلاعب بالحالات الذرية، بما في ذلك نقل الذرات بين الحالات |↓⟩، |h⟩، و |↑⟩، وتحضير حالات مضادة للمغناطيسية (AFM) ومغناطيسية (FM) مخدرة. تتوج العملية بتطور النظام تحت هاملتونيان t-J-V.
لكشف الحالة، يستخدم المؤلفون تسلسل قراءة يقوم بإعادة رسم حالات ريدبرغ إلى مجموعة الحالة الأرضية، مما يسمح بتصوير الفلورية لتحديد كثافات الحالات المختلفة. يقومون بتنفيذ بروتوكول تجميد من خطوتين لتخفيف الديناميات غير المرغوب فيها أثناء القياس. كما يقدم المؤلفون ميزانية خطأ لتهيئة الحالة والكشف عنها، مع تسليط الضوء على معايرة أخطاء تهيئة الحالة الأولية وتقدير الكثافات الفعلية من خلال نهج الاحتمالية القصوى. تشير النتائج إلى موثوقيات التحضير تتراوح من 80% إلى 95%، مع تحديد المصادر الرئيسية للخطأ على أنها تفاعلات ريدبرغ، والعيوب في عملية STIRAP، وتأثيرات التفريغ. بالإضافة إلى ذلك، يقدم المؤلفون خريطة مفصلة لهاملتونيان ريدبرغ إلى نموذج t-J-V، موضحين العلاقات بين قوى التفاعل والفيزياء الذرية الأساسية، وهو أمر حاسم لفهم ديناميات النظام.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09377-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40836087
Publication Date: 2025-08-20
Author(s): Qiao Mu et al.
Primary Topic: Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates
Methods
In this section, the authors describe the experimental setup for their implementation of the t-J-V model, utilizing specific atomic states and transitions. The states are defined as follows: $|↓⟩ = |60S_{1/2}, m_J = 1/2⟩$, $|↑⟩ = |61S_{1/2}, m_J = 1/2⟩$, and $|h⟩ = |60P_{3/2}, m_J = -1/2⟩$. A quantization magnetic field of 46 G is applied in the atomic plane of the optical tweezers. The resonant microwave frequencies for the transitions $|↓⟩ \leftrightarrow |h⟩$ and $|h⟩ \leftrightarrow |↑⟩$ are identified as 17179 MHz and 17675 MHz, respectively, with microwave pulses generated by external antennas.
To achieve site-resolved light shifts on the states $|↓⟩$ and $|↑⟩$, two 1014 nm lasers are employed. The first laser is blue-detuned by 300 MHz from the transition to the intermediate state $|6P_{3/2}⟩$, resulting in a light shift $\delta_{↓} \sim -2\pi \times 40$ MHz for the state $|↓⟩$. Local control of this light shift is facilitated through diffraction on a spatial light modulator. The second laser is red-detuned by 200 MHz from the transition to $|↑⟩$, producing a light shift $\delta_{↑} \sim 2\pi \times 30$ MHz for the state $|↑⟩$, with diffraction achieved via an acousto-optical modulator.
Discussion
In this section, the authors detail the procedures for state initialization and detection in their experimental setup involving Rydberg atoms. Initially, atoms are loaded into optical tweezers and rearranged, followed by cooling and optical pumping to prepare specific atomic states. The authors describe a sequence of microwave and laser pulses used to manipulate the atomic states, including the transfer of atoms between states |↓⟩, |h⟩, and |↑⟩, and the preparation of doped antiferromagnetic (AFM) and ferromagnetic (FM) states. The process culminates in the evolution of the system under the t-J-V Hamiltonian.
For state detection, the authors employ a readout sequence that maps Rydberg states back to the ground state manifold, allowing for fluorescence imaging to determine the populations of the various states. They implement a two-step freezing protocol to mitigate unwanted dynamics during measurement. The authors also present an error budget for state preparation and detection, highlighting the calibration of initial state preparation errors and the estimation of actual populations through a maximum likelihood approach. The results indicate preparation fidelities ranging from 80% to 95%, with the primary sources of error identified as Rydberg interactions, imperfections in the STIRAP process, and depumping effects. Additionally, the authors provide a detailed mapping of the Rydberg Hamiltonian to a t-J-V model, elucidating the relationships between interaction strengths and the underlying atomic physics, which is crucial for understanding the dynamics of the system.