[論文レビュー] Exotic atom pairs: Repulsively bound states in an optical lattice

Johannes Hecker Denschlag, Andrew J. Daley|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2006

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、強い局所的反発力が存在する光格子内の超低温原子系において、運動エネルギーの制約にもかかわらず崩壊を防ぐことで長寿命な束縛状態が形成されることを示している。87Rb原子の反発的相互作用下で観測された700 msの寿命は、ボーズ＝ハッブルモデルに基づく理論予測を裏付けており、固体系には見られない新しい量子多体現象を明らかにしている。

ABSTRACT

We review a recent experiment with ultracold atoms in 3D optical lattices where we have observed a novel kind of bound state of two atoms which is based on repulsive interactions between the particles. These repulsively bound pairs exhibit long lifetimes, even under conditions when they collide with one another. Stable repulsively bound objects should be viewed as a general phenomenon and their existence will be ubiquitous in cold atoms lattice physics. Although the experiment described here is based on bosonic Rb atoms, other composites with fermions or Bose-Fermi mixtures should exist in an analogous manner. Furthermore, repulsively bound objects could also be formed with more than two particles. In the following we will first explain the theoretical background of repulsively atom pairs. Afterwards we will present the experiments which demonstrate several key properties of the pairs. Finally we give a short discussion of how these repulsively bound pairs relate to bound states in some other physical systems.

研究の動機と目的

• 超低温原子系における反発的相互作用によって形成される安定な束縛状態の存在を調査すること。
• 格子ポテンシャル内でのエネルギー保存則の制約にもかかわらず、反発的相互作用がどのように束縛状態を生じさせるかを明らかにすること。
• 制御された光格子環境下で、長寿命な反発的束縛対の理論的予測を実験的に検証すること。
• これらの状態とボーズ＝ハッブルモデルとの関係、特に強い相互作用領域における関係を確立すること。
• フェルミ粒子やボーズ＝フェルミ混合系を含む、異なる原子種においても同様の状態が普遍的に成立するかを示すこと。

提案手法

• 強い局所的反発力（U >> J）を有する単一バンドボーズ＝ハッブルハミルトニアンを用いた理論的解析により、2粒子系のダイナミクスをモデル化する。
• 格子上での2粒子Lippmann-Schwinger方程式の正確な解法により、束縛状態の波動関数およびエネルギー準位を導出する。
• 1次元および3次元格子における2体問題の数値シミュレーションを実施し、束縛のメカニズムと安定性を分析する。
• Feshbach共鳴を用いて相互作用を調整し、3次元光格子内で2原子フォック状態を実験的に準備する。
• 飛行時間測定とペア生存率の分析により、反発的および非相互作用状態下での寿命を抽出する。
• 指数関数的および二重指数関数的フィッティングを用いて、測定された生存曲線から崩壊 timescale を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 格子ポテンシャル内での反発的相互作用が、エネルギー保存則の制約にもかかわらず、安定で長寿命な2体束縛状態を生じさせ得るか？
• RQ2 バンド構造および運動エネルギーのカットオフが、反発的束縛対の安定化に果たす役割は何か？
• RQ3 同じ系内において、反発的束縛対の寿命は、非相互作用または引力的束縛対の寿命と比べてどの程度異なるか？
• RQ4 ボーズ＝ハッブルモデルが、このような特異な束縛状態の形成と安定性をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 反発的束縛対は、フェルミ粒子やボーズ＝フェルミ混合系のような異なる粒子統計においても普遍的か？

主な発見

• 3次元光格子内での反発的束縛原子対は、主に格子光子の非弾性散乱によって制限される700 msの寿命を示した。
• 相互作用が存在しない場合（散乱長 ≈ 0）には、原子対は数ミリ秒以内に解体され、反発的相互作用が安定性に不可欠であることが確認された。
• 理論的解析により、バンドギャップが運動エネルギーへのポテンシャルエネルギーの変換を抑制することで、ペアの安定化に寄与することが示された。
• 強い局所的反発力（U >> J）のおかげで、2つの原子が同じ格子サイトに局在化したまま保持される、準安定な束縛状態が実現された。
• このような状態の存在は、頑健で一般性を有し、フェルミ系やボーズ＝フェルミ混合系へも拡張可能であり、超低温量子ガスにおける広範な応用可能性を示唆している。
• 反発的束縛対は、量子ソリトンや励起子と類似しており、凝縮系および光子系における他の多体現象との関連性を示唆している。