[論文レビュー] Generalized HydroDynamics on an Atom Chip

Max Schemmer, Isabelle Bouchoule+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、原子チップ上に形成された1次元⁸⁷Rb原子クラスターにクエンチを加えた直後の局所密度プロファイルの時間発展を測定することで、一般化流体理論（GHD）が1次元超冷却原子系の正しい流体力学的記述であることを実験的に検証した。GHDは、ヤン＝ヤンの統計力学を非平衡ダイナミクスに拡張したものであり、反発的相互作用の強さや温度の多様な条件下で観測された密度発展を正確に予測する。これは、局所熱平衡を仮定する従来の流体力学よりも優れた性能を示した。

ABSTRACT

The emergence of a special type of fluid-like behavior at large scales in one-dimensional (1d) quantum integrable systems, theoretically predicted in 2016, is established experimentally, by monitoring the time evolution of the in situ density profile of a single 1d cloud of $^{87}{ m Rb}$ atoms trapped on an atom chip after a quench of the longitudinal trapping potential. The theory can be viewed as a dynamical extension of the thermodynamics of Yang and Yang, and applies to the whole range of repulsion strength and temperature of the gas. The measurements, performed on weakly interacting atomic clouds that lie at the crossover between the quasicondensate and the ideal Bose gas regimes, are in very good agreement with the 2016 theory. This contrasts with the previously existing 'conventional' hydrodynamic approach---that relies on the assumption of local thermal equilibrium---, which is unable to reproduce the experimental data.

研究の動機と目的

• 一般化流体理論（GHD）が1次元量子可積分系において実際に成立するかどうかを実験的に検証すること。
• クエンチ後の時間発展する局所密度プロファイルに関するGHDの予測と実験データを比較すること。
• 局所熱平衡に基づく従来の流体力学が、観測されたダイナミクスを記述できないことを示すこと。
• 理論と実験の距離を最小化するように初期温度と初期状態を特定し、GHDシミュレーションに適切な初期条件を設定すること。
• GHDを可積分量子系における非平衡ダイナミクスの根本的枠組みとして確立すること。

提案手法

• クエンチによる縦方向のトラップポテンシャルの変化の直後に、4600 ± 100個の⁸⁷Rb原子で構成される1次元クラスターの時間発展する局所密度プロファイルを測定する。
• 与えられた温度Tにおける局所平衡を仮定し、ヤン＝ヤンの状態方程式を用いて初期位相空間分布を再構成する。
• 再構成された初期状態を用いてGHDシミュレーションを実行し、その後の時間における密度プロファイルを予測する。
• 実験データとシミュレーションの間の平均二乗距離を、全時間および位置点において計算することで、GHD予測と実験データの一致度を評価する。
• 初期温度Tを系統的に変化させ、実験データとの距離が最小になる値を選定する。
• 位相空間占有関数ν(x,v)を分析し、ダイナミクスにおける近似的な周期性と相互作用に起因する歪みを観察する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般化流体理論（GHD）は、クエンチ後の1次元超冷却原子系の非平衡ダイナミクスを正確に記述できるか？
• RQ2 GHDは、局所密度プロファイルの時間発展を予測する際に、従来の流体力学と比べてどの程度優れているか？
• RQ3 実験データと最も一致するGHDシミュレーションの初期温度と初期状態は何か？
• RQ4 相互作用は、1次元原子クラスターのダイナミクスにおける正確な周期性をどの程度破壊するか？
• RQ5 ヤン＝ヤンの状態方程式を用いて、非平衡状態において物理的に意味のある初期状態をGHDシミュレーションに再構成できるか？

主な発見

• GHDの予測は、調和ポテンシャルクエンチおよび二重井戸ポテンシャルクエンチを含む、複数のクエンチプロトコルにおいて実験データと優れた一致を示した。
• 調和クエンチではGHDシミュレーションと実験データの平均二乗距離がT = 0.3 μKで最小化され、二重井戸から調和ポテンシャルへのクエンチではT = 0.15 μKで最小化された。
• 従来の流体力学は、調和拡張を超えた非平衡領域において実験データを再現できず、失敗した。
• 位相空間占有関数ν(x,v)は約165 msの周期を示し、調和トラップ周期（154 ms）よりもわずかに長く、相互作用に起因する歪みが確認された。
• 初期温度Tの変動に対してもGHDシミュレーションの予測精度は安定しており、Tの範囲にわたって予測品質の変化は最小限にとどまった。
• 実験データとGHDシミュレーションの両方が、系のダイナミクスが局所熱平衡ではなく、一般化流体理論の枠組みに従うことを確認した。