[論文レビュー] Correlations and dynamics of tunnel-coupled one-dimensional Bose gases

Thomas Schweigler|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2019

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 75被引用数 23

ひとこと要約

本学位論文は、二重井戸ポテンシャル内のトンネル結合された一次元超低温ボーズガスについて、物質波干渉を用いて空間的位相相関を測定することで、実験的に研究している。初期のトンネル結合後に井戸を急激に分離することで、非ガウス的からガウス的へと変化する位相揺らぎの動的進化である「ガウシフィケーション」の初めての観測を示した。これは、ユニタリな時間発展によって量子多体系がガウス的平衡状態へと緩和する仕組みを明らかにした。

ABSTRACT

We present a series of experiments performed with two ultracold one-dimensional Bose gases (rubidium atoms) in a double well potential. Employing matter-wave interference, we can measure the spatially resolved phase difference between the two gases and consequently investigate spatial correlations. By investigating whether higher order correlation functions can be factorized into correlations of lower order, we can investigate the interaction properties of the system. For a non-interacting system, all correlation functions with orders greater than two factorize and one observes Gaussian fluctuations. Here, we present the measurement of non-factorizing fourth-order correlation functions, leading to an experimental characterization of the interactions between the collective excitations of the quantum many-body system. The degree of non-factorizibility, i.e., the degree of non-Gaussianity of the phase fluctuations, depends on the tuneable tunneling strength between the wells. Starting from such a non-Gaussian state, we are able to observe the dynamical evolution towards a state with factorizing correlation functions (Gaussian fluctuations). We start in a double well with tunneling and then abruptly decouple the two subsystems. Subsequently, we observe how the initially non-Gaussian phase fluctuations become Gaussian. Moreover, we discuss the dynamical emergence of phase coherence in a double well potential with tunneling. We experimentally investigate the evolution starting from two different initial states. In one case, we split a cloud of atoms into two and trigger global oscillations in their relative phase. The oscillations subsequently damp and phase coherence sets in. In the other case, two independent clouds are suddenly coupled by tunneling. Again, phase coherence emerges between the two subsystems.

研究の動機と目的

• 量子多体系のダイナミクス、特にガウス的平衡状態の出現を理解すること。
• 超低温一次元ボーズガスにおける非ガウス的相関を実験的に探ること。
• 異なる初期条件下でのトンネル結合系における位相コherーの発展を調べること。
• 相互作用を有する量子系における高次相関関数の因数分解に関する理論的予測を検証すること。
• トンネル結合強度が位相揺らぎの非ガウス性の度合いに与える影響を特定すること。

提案手法

• 超低温ルビジウム原子を二重井戸ポテンシャルに荷電させ、トンネル結合された一次元ボーズガスを形成する。
• 井戸間のトンネル結合を調整することで、系の位相コherー度と非ガウス性の度合いを制御する。
• 物質波干渉技術を用いて、空間的に分解能のある位相差を測定する。
• 第四位相相関関数を実験的に測定し、因数分解不可能（非ガウス的）な揺らぎを検出する。
• 井戸間のポテンシャル障壁を急激に上昇させることで、系を分離し、相関の動的進化を研究する。
• 二種類の異なる初期状態を準備する：コherーントな振動を示す分割された雲と、急激にトンネル結合が開始される二つの独立した雲。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トンネル結合された一次元ボーズガスにおいて、位相揺らぎの非ガウス性の度合いは、トンネル率にどのように依存するか？
• RQ2 外部の散乱がない状態で、ユニタリな時間発展のみによって非ガウス的量子状態がガウス的状態へと動的に進化できるか？
• RQ3 集団励起状態が、このような系における高次相関関数の構造に果たす役割は何か？
• RQ4 二重井戸ポテンシャルにおいて、二つの独立した部分系から出発した場合、位相コherーはどのようにして出現するか？
• RQ5 非因数分解可能な第四位相相関関数の実験的特徴は、因数分解可能なものとどのように区別できるか？

主な発見

• 本実験は、二重井戸系を急激に分離した後に、初期に非ガウス的であった位相揺らぎがガウス的へと緩和する「ガウシフィケーション」の直接観測を初めて達成した。
• 因数分解不可能な第四位相相関関数が測定され、系内に強い多体相関と非ガウス的統計が存在することが確認された。
• 位相揺らぎの非ガウス性の度合いはトンネル率によって直接制御可能であり、系の統計的性質を制御可能であることを示した。
• 両方の初期状態において位相コherーが出現した：分割された雲のコherーントな重ね合わせ状態からと、独立した部分系の急激な結合から。
• 観測されたガウス的揺らぎへの緩和は外部の散乱なしに発生しており、ユニタリな量子時間発展のみで多体系がガウス的平衡状態へ到達可能であることを示した。
• 非ガウス性が低次元量子ガスにおける強い相互作用と集団的挙動を示すという理論的予測が、本結果により裏付けられた。