[論文レビュー] Matter Wave Jet Emission from a Driven Bose-Einstein Condensate

Zhigang Wu, Hui Zhai|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、周期的に変調されたボーズ・アインシュタイン凝縮体における物質波ジャット放射を説明する、数を保存する時間に依存するボゴリューボフ理論を提示する。この理論は、フィッティングパラメータを一切用いずに、ジャットの動的挙動と角度密度相関を正確に予測する。また、非対称な相関が、異なる角運動量を持つ準粒子間のハナリュー＝ブラウン＝トゥイス効果であると特定し、ジャット内の原子数の時間発展について二次関数的から指数関数的成長への遷移を解析的に導出する。

ABSTRACT

Emission of matter wave jets has been recently observed in a Bose-Einstein condensate confined by a cylindrical box potential, induced by a periodically modulated inter-particle interaction (Nature {\bf 551}, 356 (2017)). In this letter we apply the number-conserving time-dependent Bogoliubov theory to study the highly non-equilibrium quantum dynamics in this system. Without any fitting parameter, our theoretical calculations on the dynamics of the jet emission and the angular density correlation are in excellent quantitative agreement with the experimental measurements. In particular, our theory interprets the angular density correlation of the jets as the Hanbury-Brown-Twiss effect between the excited quasi-particles with different angular momenta, and this explains the puzzling observation of the asymmetric density correlations between the jets with the same and opposite momenta. We also analytically show that the number of atoms in the jet emission increases quadratically at early times and is followed by an exponential growth at later times.

研究の動機と目的

• 周期的に変調されたボーズ・アインシュタイン凝縮体で実験的に観測された物質波ジャット放射を理論的に説明すること。
• 同じおよび反対の運動量を持つジャット間の非対称な角度密度相関の起源を理解すること。
• フィッティングパラメータを一切用いずに、ジャットのダイナミクスと原子数の時間発展を定量的に記述すること。
• 観測された相関を、角運動量が異なる準粒子間の多体量子効果として解釈すること—具体的にはハナリュー＝ブラウン＝トゥイス効果。

提案手法

• 駆動されたボーズ・アインシュタイン凝縮体における非平衡ダイナミクスをモデル化するため、数を保存する時間に依存するボゴリューボフ理論を適用する。
• 理論を用いて、フィッティングパラメータを一切用いずに、ジャット放射のダイナミクスと角度密度相関関数を計算する。
• 異なる角運動量を持つ準粒子励起状態の分析により、相関の非対称性を説明する。
• ジャット内の原子数の時間発展を解析的に導出し、初期段階では二次関数的、後期段階では指数関数的成長が生じることを示す。
• 観測された密度相関を、多体量子系におけるハナリュー＝ブラウン＝トゥイス効果にマッピングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物質波ジャットで観測された非対称な角度密度相関の微視的起源は何か？
• RQ2 周期的変調の下で、放出されるジャット内の原子数は時間とともにどのように変化するか？
• RQ3 フィッティングなしに、多体理論を用いてジャット放射ダイナミクスを定量的に記述できるか？
• RQ4 異なる角運動量を持つ準粒子励起状態は、観測された相関パターンにどのように寄与するか？

主な発見

• 理論的予測によるジャット放射ダイナミクスと角度密度相関は、実験測定と優れた定量的整合性を示し、フィッティングパラメータを一切用いない。
• 非対称な角度密度相関は、異なる角運動量を持つ準粒子間のハナリュー＝ブラウン＝トゥイス効果として説明できる。
• ジャット内の原子数は初期段階で二次関数的成長を示し、後期段階にかけて指数関数的成長に移行するが、これは解析的に導出された。
• 理論は、集団的ジャット構造の出現を含む、系の非平衡量子ダイナミクスを成功裏に捉えている。