[論文レビュー] Emergent interaction-driven elliptic flow of few fermionic atoms

Sandra Brandstetter, Philipp Lunt+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2023

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、わずか10個の強い相互作用を示す原子で構成される少数フェルミ粒子系において、相互作用駆動型の楕円形流れ（elliptic flow）を示す臨床的流体力学的挙動が顕在することを示した。超低温原子を楕円形トラップに閉じ込め、膨張過程における運動量の非等方性とアスペクト比の逆転を観測した。これは流体力学的挙動の特徴であるが、スケール分離の仮定が成り立たない状況下でも観察されたため、中間スケールの量子系における伝統的な流体力学的基準に挑戦するものである。

ABSTRACT

Hydrodynamics provides a successful framework to effectively describe the dynamics of complex many-body systems ranging from subnuclear to cosmological scales by introducing macroscopic quantities such as particle densities and fluid velocities. According to textbook knowledge, it requires coarse graining over microscopic constituents to define a macroscopic fluid cell, which is large compared to the interparticle spacing and the mean free path. In addition, the entire system must consist of many such fluid cells. In high energy heavy ion collisions, hydrodynamic behaviour is inferred from the observation of elliptic flow. Here, we demonstrate the emergence of elliptic flow in a system of few strongly interacting atoms. In our system a hydrodynamic description is a priori not applicable, as all relevant length scales, i.e. the system size, the inter-particle spacing, and the mean free path are comparable. The single particle resolution, deterministic control over particle number and interaction strength in our experiment allow us to explore the boundaries between a microscopic description and a hydrodynamic framework in unprecedented detail.

研究の動機と目的

• スケール分離の仮定が成り立たない少数量子系において、流体力学的挙動がどのように顕在するかを調査すること。
• 調整可能な相互作用強度を有する制御された少数系において、非相互作用から強い相互作用への遷移を調査すること。
• 系のサイズ、粒子間隔、平均自由行程が同程度であるような系でも、流体力学的現象（例：楕円形流れ）が生じるかどうかを検証すること。
• 微視的少数体ダイナミクスと巨視的流体力学的記述とを、量子degenerateフェルミ系において結びつけること。
• 中間スケールの系において、多体状態方程式とThomas-Fermiプロファイルを用いた流体力学的シミュレーションを、実験データと照合して検証すること。

提案手法

• 楕円形光学トラップ内に、スピンアップとスピンダウンの両方の超低温フェルミ粒子原子（5+5）を強く相互作用する状態で準備する。
• 時間飛行像像法を用いて、可変な膨張時間後の実空間密度および運動量空間分布を、単一粒子分解能で測定する。
• Feshbach共鳴を用いて相互作用強度を調整し、状態方程式を制御し、非相互作用から流体力学的領域への遷移を調査する。
• 多体状態方程式（EOS）とThomas-Fermiプロファイルを用いた流体力学的シミュレーションにより、運動量非等方性およびアスペクト比の時間発展を予測する。
• 実験データと理想流体力学的予測との間で、時間発展に伴う二乗平均位置および運動量の変化を比較する。
• 運動量空間の圧力テンソルおよび流体力学的方程式（例：式10および11）を用いて、運動量再分配および非等方性の増大を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スケール分離の仮定が成り立たない少数フェルミ粒子系において、流体力学的挙動（例：楕円形流れ）が顕在するか？
• RQ2 相互作用強度が、わずか10個の原子からなる系における集団的運動量非等方性の発現にどのように影響を与えるか？
• RQ3 中間スケールの少数系において、状態方程式に基づく流体力学的予測が、実験的観測とどの程度一致するか？
• RQ4 有限サイズ補正および非平衡効果が、理想流体力学的挙動から系をどれほどずらすか？
• RQ5 運動量非等方性の増大に要する時間スケール（τ ≈ R/cs）は、流体力学的期待値と整合的か？

主な発見

• 10個の強い相互作用を示すフェルミ粒子系において、実空間での初期アスペクト比の逆転および運動量非等方性の発展によって、楕円形流れが顕在した。
• 運動量非等方性は、初期運動量分布とは無関係に、多体相互作用に起因するものであり、これは単一粒子ダイナミクスとは明確に異なる。
• 多体状態方程式（EOS）に基づく流体力学的シミュレーションが、実験的二乗平均位置および運動量の時間発展を定量的に再現した。これにより、流体力学的記述の妥当性が裏付けられた。
• 非等方性増大に要する時間スケール（τ ≈ 0.1 ms）は、流体力学的予測（τ ≈ R/cs）と一致しており、R ~ 1 μm、cs ~ 10 μm/ms である。
• 初期密度プロファイルは、Thomas-Fermi予測とは大きく逸脱しており、少数体領域における顕著な有限サイズ補正が存在することが示された。
• 系のサイズ、粒子間隔、平均自由行程がすべて同程度であるにもかかわらず、系は流体力学的挙動を示した。これは、従来の巨視的系を要件とする流体力学的要件に挑戦するものである。