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原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
具有相互作用成分的合成量子系統在量子信息處理和解釋多體物理中的基本現象方面發揮著重要作用。隨著冷卻和捕獲技術的驚人進步，超冷極性分子系綜已經成為一個很有前途的平臺，它結合了幾個有利的特性。這其中包括大量具有長相干時間和長程各向異性相互作用的內部態。這些特性使人們能夠探索關聯量子物質的有趣相，如拓撲超流、量子自旋液體、分數陳絕緣體和量子磁體等。研究這些階段的關聯對理解它們的性質是至關重要的，這就需要發展新的實驗技術。有鑒于此，普林斯頓大學Waseem S. Bakr等人利用量子氣體顯微術測量了限域在二維光晶格中的極性23Na87Rb分子的量子關聯的位置分辨動力學。利用分子的兩個轉動態，實現了粒子間存在偶極相互作用的自旋- 1/2系統，產生了量子自旋交換模型。作者研究了非均衡自旋系統在空間各向同性和各向異性相互作用的熱化過程中關聯的演化。進一步，利用周期性微波脈沖研究了由本征自旋交換模型設計的自旋各向異性海森堡模型的關聯動力學。這些實驗推進了探測和控制超冷分子相互作用系統的前沿，具有探索新的量子物質體系和表征糾纏態的前景，對量子計算和計量學都是有用的。通過在二維光學晶格中制備基態NaRb分子來開始實驗。分子的形成是通過將Na和Rb的簡并玻色氣體加載到晶格中，然后利用磁締合和受激拉曼絕熱通道(STIRAP)將原子對轉化為處于旋轉振動和超精細基態的分子。由于晶格足夠深，分子在晶格點之間的隧穿在實驗的時間尺度上可以忽略不計，晶格中基態分子的最大填充率為15(1)%。
圖 分子量子氣體顯微鏡
旋轉一致性
作者進行了拉姆齊干涉測量實驗對分子旋轉狀態下編碼的兩級系統的相干性進行基準測試。結果表明兩能級系統的相干時間遠長于預期的毫秒級最近鄰相互作用時間，這為研究相干多體動力學，如自旋壓縮或制備旋轉超流體等實驗提供了有利條件。
圖 轉動態相干性
XY自旋模型中的相關動力學
作者探測了淬滅后由于偶極相互作用而導致的相關性的增長。實驗結果與數值模擬的預測結果一致。在短時間內，附近的自旋對對動力學的貢獻占主導地位，但后來，與較遠的自旋的耦合起著越來越重要的作用。
圖 XY自旋模型中的相關動力學
可調空間各向異性
偶極-偶極相互作用的另一個決定性特征是它的空間各向異性。通過進行相同的淬火動力學實驗，但磁場在平面內，相對于晶格軸傾斜9°，可以清楚地看到各向異性相互作用勢在動力學中的影響。相關數據證明了可以很容易地調整分子相互作用的各向異性與磁場的方向，這將在未來的挫折自旋系統的研究中有用。
圖 偶極相互作用的可調空間各向異性
Floquet工程的XXZ模型
雖然XY模型是在極性分子系統中實現的自然自旋哈密頓量，但通過使用微波弗洛凱工程，可以超越諧振自旋交換項來實現更復雜的相互作用，例如XXZ或XYZ模型。這種技術的本質是在時間上以比相互作用時間尺度更快的速度調制哈密頓量，這樣時間平均哈密頓量就不同于原來的哈密頓量。將實驗數據與使用XYY模型的精確對角化計算進行比較，顯示出合理的一致性，表明時間平均哈密頓量是觀測到的動力學的適當描述符。
圖 各向異性海森堡模型的Floquet工程
參考文獻：
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
