Nature：二维限域，探测超冷分子！

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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

具有相互作用成分的合成量子系统在量子信息处理和解释多体物理中的基本现象方面发挥着重要作用。随着冷却和捕获技术的惊人进步，超冷极性分子系综已经成为一个很有前途的平台，它结合了几个有利的特性。这其中包括大量具有长相干时间和长程各向异性相互作用的内部态。这些特性使人们能够探索关联量子物质的有趣相，如拓扑超流、量子自旋液体、分数陈绝缘体和量子磁体等。研究这些阶段的关联对理解它们的性质是至关重要的，这就需要发展新的实验技术。

有鉴于此，普林斯顿大学Waseem S. Bakr等人利用量子气体显微术测量了限域在二维光晶格中的极性²³Na⁸⁷Rb分子的量子关联的位置分辨动力学。利用分子的两个转动态，实现了粒子间存在偶极相互作用的自旋- 1/2系统，产生了量子自旋交换模型。作者研究了非均衡自旋系统在空间各向同性和各向异性相互作用的热化过程中关联的演化。进一步，利用周期性微波脉冲研究了由本征自旋交换模型设计的自旋各向异性海森堡模型的关联动力学。这些实验推进了探测和控制超冷分子相互作用系统的前沿，具有探索新的量子物质体系和表征纠缠态的前景，对量子计算和计量学都是有用的。

分子制备及检测

通过在二维光学晶格中制备基态NaRb分子来开始实验。分子的形成是通过将Na和Rb的简并玻色气体加载到晶格中，然后利用磁缔合和受激拉曼绝热通道(STIRAP)将原子对转化为处于旋转振动和超精细基态的分子。由于晶格足够深，分子在晶格点之间的隧穿在实验的时间尺度上可以忽略不计，晶格中基态分子的最大填充率为15(1)%。

图  分子量子气体显微镜

旋转一致性

作者进行了拉姆齐干涉测量实验对分子旋转状态下编码的两级系统的相干性进行基准测试。结果表明两能级系统的相干时间远长于预期的毫秒级最近邻相互作用时间，这为研究相干多体动力学，如自旋压缩或制备旋转超流体等实验提供了有利条件。

图  转动态相干性

XY自旋模型中的相关动力学

作者探测了淬灭后由于偶极相互作用而导致的相关性的增长。实验结果与数值模拟的预测结果一致。在短时间内，附近的自旋对对动力学的贡献占主导地位，但后来，与较远的自旋的耦合起着越来越重要的作用。

图  XY自旋模型中的相关动力学

可调空间各向异性

偶极-偶极相互作用的另一个决定性特征是它的空间各向异性。通过进行相同的淬火动力学实验，但磁场在平面内，相对于晶格轴倾斜9°，可以清楚地看到各向异性相互作用势在动力学中的影响。相关数据证明了可以很容易地调整分子相互作用的各向异性与磁场的方向，这将在未来的挫折自旋系统的研究中有用。

图  偶极相互作用的可调空间各向异性

Floquet工程的XXZ模型

虽然XY模型是在极性分子系统中实现的自然自旋哈密顿量，但通过使用微波弗洛凯工程，可以超越谐振自旋交换项来实现更复杂的相互作用，例如XXZ或XYZ模型。这种技术的本质是在时间上以比相互作用时间尺度更快的速度调制哈密顿量，这样时间平均哈密顿量就不同于原来的哈密顿量。将实验数据与使用XYY模型的精确对角化计算进行比较，显示出合理的一致性，表明时间平均哈密顿量是观测到的动力学的适当描述符。

图  各向异性海森堡模型的Floquet工程

参考文献：

Christakis, L., Rosenberg, J.S., Raj, R. et al. Probing site-resolved correlations in a spin system of ultracold molecules. Nature 614, 64–69 (2023).

DOI：10.1038/s41586-022-05558-4

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05558-4

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