Microscopy of spin hydrodynamics and cooperative light scattering in atomic Hubbard systems

Wei, David (2023): Microscopy of spin hydrodynamics and cooperative light scattering in atomic Hubbard systems. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Wechselwirkungen zwischen quantenmechanischen Teilchen können zu kollektiven Phänomenen führen, deren Eigenschaften sich vom Verhalten einzelner Teilchen stark unterscheiden. Während solche Quanteneffekte im Allgemeinen schwierig zu beobachten sind, haben sich ultrakalte, in optischen Gittern gefangene atomare Gase als vielseitige experimentelle Plattform zur Erforschung der Quantenvielteilchenphysik erwiesen. In dieser Arbeit setzten wir ein Gitterplatz- und Einzelatom-aufgelöstes Quantengasmikroskop für bosonische Rb-87 Atome ein, um Vielteilchensysteme im und außerhalb des Gleichgewichts zu untersuchen. Zunächst betrachteten wir den quantenmechanischen Phasenübergang zwischen dem suprafluiden und dem Mott-isolierenden Zustand im Bose-Hubbard-Modell, das nativ durch kalte Atome in optischen Gittern realisiert wird, und zeigten, dass sich die Brane-Parität eignet, um nichtlokale Ordnung im konventionell als ungeordnet erachteten zweidimensionalen Mott-Isolator zu identifizieren. Mithilfe eines mikroskopischen Ansatzes zur Realisierung einstellbarer Gittergeometrien und programmierbarer Einheitszellen implementierten wir Quadrats-, Dreiecks-, Kagome- und Lieb-Gitter und beobachteten die Skalierung des Phasenübergangspunkts mit der mittleren Koordinationszahl des Gitters. In einem eindimensionalen Gitter untersuchten wir zudem den Hochtemperatur-Spintransport im Heisenberg-Modell, das durch Superaustausch in der Mott-isolierenden Phase eines zwei-Spezies Bose-Hubbard-Modells realisiert wurde. Durch Betrachten der Relaxationsdynamik eines als Domänenwand präparierten Anfangszustandes fanden wir eine superdiffusive Raum-Zeit-Skalierung mit einem anomalen dynamischen Exponenten von 3/2. Anschließend untersuchten wir die theoretisch vorhergesagten mikroskopischen Voraussetzungen für Superdiffusion, indem wir reguläre Diffusion im nicht-integrablen, zweidimensionalen Heisenberg-Modell und ballistischen Transport für SU(2)-Symmetrie-gebrochene magnetisierte Anfangszustände nachwiesen. Weiterhin maßen wir die Zählstatistik der durch die Domänenwand transportierten Spins; die sich daraus ergebende schiefe Verteilung deutete auf einen nichtlinearen zugrundeliegenden Transportprozess hin, der an die dynamische Kardar-Parisi-Zhang Universalitätsklasse erinnert. Mittels Mott-Isolatoren im Limit tiefer Gitter konnten wir darüber hinaus die durch Photonen vermittelten Wechselwirkungen in einem Spinsystem untersuchen, das aus zwei über einen geschlossenen optischen Übergang gekoppelten Zuständen besteht. Durch spektroskopische Untersuchung der Reflexion und Transmission konnten wir die direkte Anregung einer subradianten Eigenmode und kohärente Spiegelung beobachten, was auf die Realisierung einer effizienten, im freien Raum operierenden, paraxialen Licht-Materie-Schnittstelle hindeutet.

Abstract

The interplay of quantum particles can give rise to collective phenomena whose characteristics are distinct from the behavior of individual particles. While quantum effects are generally challenging to observe, ultracold atomic gases trapped in optical lattices have emerged as a versatile experimental platform to study quantum many-body physics. In this thesis, we employed a site– and single-atom–resolved quantum gas microscope of bosonic Rb-87 atoms to explore many-body systems in and out of equilibrium. We first considered the ground-state quantum phase transition between the superfluid and Mott-insulating state in the Bose–Hubbard model, natively realized by cold atoms in optical lattices, for which we found brane parity to be suitable for detecting nonlocal order in the conventionally unordered two-dimensional Mott insulator. Using a microscopic approach to realizing tunable lattice geometries and programmable unit cells, we implemented square, triangular, kagome and Lieb lattices, and observed the mean-field scaling of the phase transition point with average coordination number. In a one-dimensional lattice, we furthermore studied high-temperature spin transport in the Heisenberg model, realized by superexchange in the Mott-insulating phase of a two-species Bose–Hubbard model. By tracking the relaxation dynamics of an initial domain-wall state, we found superdiffusive space–time scaling with an anomalous dynamical exponent of 3/2. We then probed the predicted microscopic requirements for superdiffusion, verifying regular diffusion for the integrability-broken two-dimensional Heisenberg model and ballistic transport for SU(2)-symmetry–broken net magnetized initial states. Subsequently, we measured the full counting statistics of spins transported across the domain wall; the resulting skewed distribution implied a nonlinear underlying transport process, reminiscent of the Kardar–Parisi–Zhang dynamical universality class. Moving to Mott insulators in the deep-lattice limit, we could moreover study photon-mediated interactions on a subwavelength-spaced, array-ordered spin system consisting of states coupled by a closed optical transition. By spectroscopically probing the reflectance and transmittance, we demonstrated the direct excitation of a subradiant eigenmode and observed specular reflection, indicating the realization of an efficient free-space paraxial light–matter interface.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: ultracold atoms, Bose-Hubbard model, spin transport, Kardar-Parisi-Zhang universality, subradiance
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 29. September 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Bloch, Immanuel