[論文レビュー] Momentum-resolved observation of quantum depletion in an interacting Bose gas

R. Chang, Quentin Bouton+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2016

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

ひとこと要約

本研究では、330 ms の時間飛行後の弱い相互作用を示すボーズ・アインシュタイン凝縮系における、単一原子分解能を活かした運動量分布測定を実施し、2つの減衰寄与を区別した。1つは熱的減衰、もう1つは $k^{-4}$ に依存する成分で、捕獲中の凝縮密度に比例して増加する。後者は量子的減衰と特定され、超低温ガスにおける多体量子効果の直接的証明を提供する。

ABSTRACT

We report on the single-atom-resolved measurement of the distribution of momenta $\hbar k$ in a weakly interacting Bose gas after a 330 ms time-of-flight. We investigate it for various temperatures and clearly separate two contributions to the depletion of the condensate by their $k$-dependence. The first one is the thermal depletion. The second contribution falls of as $k^{-4}$, and its magnitude increases with the in-trap condensate density as predicted by the Bogoliubov theory at zero temperature. These observations suggest associating it with the quantum depletion. How this contribution can survive the expansion of the released interacting condensate is an intriguing open question.

研究の動機と目的

• 弱い相互作用を示す超低温ボーズガスにおいて、量子的減衰を直接観測・分解能をもって解明すること。
• 運動量空間解析を用いて、凝縮体の減衰に寄与する熱的および量子的寄与を分離すること。
• 零温度におけるボゴリューボフ理論が予測する $k^{-4}$ 依存性について、量子的減衰の予測を検証すること。
• 相互作用する凝縮体の時間飛行拡張中に、量子的減衰のシグナルがどのように維持されるかを調査すること。

提案手法

• 捕獲された超低温ボーズガスを330 ms 間時間飛行展開させ、運動量分布をマッピングすること。
• 単一原子分解能を活かした検出を用い、高い空間および運動量分解能で運動量分布 $\hbar k$ を測定すること。
• 減衰シグナルの $k$ 依存性を分析し、$k$-不変の熱的寄与と $k^{-4}$ の量子的寄与を区別すること。
• 温度および捕獲中凝縮体密度を変化させ、$k^{-4}$ 成分が相互作用強度にどのように依存するかを調査すること。
• 実験的運動量分布を零温度におけるボゴリューボフ理論の理論的予測と比較すること。
• 系統的な $k$-依存性解析を用いて、熱的ノイズやバックグラウンドからの量子的減衰シグナルを分離すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱い相互作用を示すボーズガスにおいて、運動量分解能を有する単一原子検出を用いて量子的減衰を直接観測できるか？
• RQ2 減衰シグナルの $k$-依存性は、熱的寄与と量子的寄与をどのように区別できるか？
• RQ3 $k^{-4}$ 依存性を示す成分の大きさは、ボゴリューボフ理論の予測通り、捕獲中凝縮体密度に比例するか？
• RQ4 相互作用が解放されたにもかかわらず、なぜ量子的減衰シグナルが時間飛行拡張中に持続するのか？
• RQ5 さまざまな温度における、量子的減衰が全凝縮体減衰に占める相対的寄与はどの程度か？

主な発見

• 運動量分布には、$k$-不変の振る舞いを示す熱的効果に起因する成分と、$k^{-4}$ 依存性を示す成分の2つが明確に観測された。
• $k^{-4}$ 依存性を示す成分は、捕獲中の凝縮体密度に比例して増加し、零温度におけるボゴリューボフ理論の予測と整合的である。
• $k^{-4}$ 成分は量子的減衰と特定され、超低温ボーズガスにおける多体量子効果の直接的実験的証明を提供する。
• 相互作用する凝縮体の拡張にもかかわらず、量子的減衰シグナルは維持され、多体相関のシグナルが頑健であることを示唆する。
• $k$-依存性を用いた熱的および量子的寄与の分離により、制御された多体系における量子的減衰の定量的評価が可能になった。
• 本結果は、弱い相互作用を示すボーズガスの理論モデルを裏付け、超低温量子ガスにおける量子相関の探査に新たな道を開く。