[論文レビュー] Interaction control and bright solitons in coherently-coupled Bose-Einstein condensates

Jorge Luciano Alió Sanz, A. Frölian+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2019

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 59被引用数 43

ひとこと要約

本研究では、スピンが反対符号の散乱長を有する2つのハイパーファイン状態を無線周波数場を用いて共鳴的に結合させることで、39Kボーズ＝アインシュタイン凝縮体における原子間相互作用を高速かつ一貫して制御することを示した。結合場の調整により、下位ドレッシング状態の有効散乱長が100 a₀以上に動的に制御可能となり、引力的領域における明るいソリトンの観測および相互作用クエンチダイナミクスによるソリトン列の形成が可能になった。

ABSTRACT

We demonstrate fast control of the interatomic interactions in a Bose-Einstein condensate by coherently coupling two atomic states with intra- and inter-state scattering lengths of opposite signs. We measure the elastic and inelastic scattering properties of the system and find good agreement with a theoretical model describing the interactions between dressed states. In the attractive regime, we observe the formation of bright solitons formed by dressed-state atoms. Finally, we study the response of the system to an interaction quench from repulsive to attractive values, and observe how the resulting modulational instability develops into a bright soliton train.

研究の動機と目的

• スピンが反対符号の散乱長を有する原子状態間の共鳴的結合を用いて、BECにおける高速で柔軟かつ可逆的な原子間相互作用制御を達成すること。
• BECにおけるRF結合によって形成されるドレッシング状態の弾性散乱および非弾性散乱特性を実験的に調査すること。
• ドレッシング状態の組成を制御することで有効散乱長を調整し、引力的領域における明るいソリトンの安定化を実証すること。
• 反発的から引力的相互作用へ急速にクエンチする過程に続くモジュレーション不安定性のダイナミクスを調査すること。

提案手法

• 39Kの2つのハイパーファイン状態（|↑⟩ ≡ |F=1, mF=−1⟩ および |↓⟩ ≡ |F=1, mF=0⟩）を無線周波数場を用いて共鳴的に結合させ、ドレッシング状態 |−⟩ と |+⟩ を生成する。
• RF場のラビ周波数とデチューニングを調整することで混合角θを制御し、ドレッシング状態の組成を制御することで、有効散乱長 a⁻⁻ を動的に制御する。
• 時間飛行拡散像像法を用いて有効散乱長 a⁻⁻ を測定し、軸方向雲のサイズ σₓ⁵/N をスケーリングして相互作用強度を推定する。
• ラムプレートが ≤1 kHz/µs となるようにランドー＝ツェナー走査を用いて純粋なドレッシング状態を準備し、デチューニングを制御して異なる偏光パラメータ P をアクセスする。
• 反発的から引力的相互作用領域に急速に切り替えることで、モジュレーション不安定性を誘発する相互作用クエンチ実験を実施する。
• 時間に依存するグロス＝ピタエフゾフ方程式の数値シミュレーションを用いて実験データを検証し、トーマス＝フェルミ近似のずれを補正する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピンが反対符号の散乱長を有する原子状態間の共鳴的結合は、BECにおける有効相互作用の高速で柔軟な制御を可能にするか？
• RQ2 ドレッシング状態の弾性および非弾性散乱特性は、特に偏光パラメータ P にどのように依存するか？
• RQ3 有効散乱長が引力的値に調整された場合、下位ドレッシング状態 |−⟩ において明るいソリトンが安定化可能か？
• RQ4 ドレッシング状態BECにおいて、反発的から引力的相互作用へ急速にクエンチした後のモジュレーション不安定性のダイナミクス的進化はどのようなものか？

主な発見

• 実験的に、RFデチューニングを変化させることで、下位ドレッシング状態 |−⟩ の有効散乱長 a⁻⁻ が100 a₀以上に制御可能であり、実験結果と理論モデルの間に良好な一致が得られた。
• δ/2π ≈ 6.5 kHz（P ≈ 0.31）で a⁻⁻ の最小値が観測され、これはスピン間散乱長 a↑↓ < 0 のための理論的予測と一致した。
• 有効散乱長 a⁻⁻ が負値に達した際、下位ドレッシング状態 |−⟩ で明るいソリトンが直接観測され、共鳴的ドレッシングによる安定化が確認された。
• 反発的から引力的相互作用へ急速にクエンチした後、システムはモジュレーション不安定性を示し、明るいソリトン列へと進化した。このダイナミクスは理論的予測と整合的であった。
• 上位ドレッシング状態 |+⟩ の寿命は、反対運動量を有する相関した原子対を生成する非弾性衝突のため、約1 msに制限された。
• 時間に依存するグロス＝ピタエフゾフ方程式の数値シミュレーションにより、実験的 σₓ⁵/N と a⁻⁻ のスケーリング関係が確認された。また、大規模な負のデチューニング領域では、三体再結合および残存励起状態が顕著であり、トーマス＝フェルミ近似のずれが最大になった。