[論文レビュー] Non-equilibrium dynamics of quantum impurities

Magnus G. Skou, Thomas G. Skov+6 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、量子簡並ガスにおける干渉計的技術を用いて、ボソン的環境内の量子インプリンティが非平衡ダイナミクスを実験的に調査する。弱いから強い相互作用にかけてのポラロン形成における普遍的挙動を示す三つの明確なダイナミクス的領域が特定され、少数体と多数体物理学の間の遷移が明らかになった。

ABSTRACT

Advancing our understanding of non-equilibrium phenomena in quantum many-body systems remains among the greatest challenges in physics. Here, we report on the experimental observation of a paradigmatic many-body problem, namely the non-equilibrium dynamics of a quantum impurity immersed in a bosonic environment. The impurity is created and monitored using an interferometric technique in a quantum degenerate gas. Thus we are able to trace the complete impurity evolution from its initial generation to the ultimate emergence of quasiparticle properties, forming the Bose polaron. These results offer a first systematic picture of polaron formation from weak to strong impurity interactions. They reveal three distinct regimes of evolution with dynamical transitions that provide a link between few-body processes and many-body dynamics. Our measurements reveal universal dynamical behavior in interacting many-body systems and demonstrate new pathways to study non-equilibrium quantum phenomena.

研究の動機と目的

• 現代物理学における主要な挑戦である、量子多体系における非平衡ダイナミクスを理解すること。
• 変化するインプリンティ-ボソン相互作用強度下での準粒子（特にボーズポラロン）の形成を調査すること。
• 量子インプリンティにおける少数体プロセスと集団的多数体ダイナミクスの間のギャップを埋めること。
• インプリンティの初期生成から準粒子の出現に至るまでの完全な進化を観測・特徴付けること。

提案手法

• インプリンティは、量子簡並ガスにおける干渉計的技術を用いて生成・モニタリングされる。
• この系により、インプリンティの初期状態から最終的な準粒子状態への進化をリアルタイムで追跡できる。
• ボソン的環境は量子簡並に調整されており、多数体効果が支配的になる。
• 時間分解測定を通じて、明確に区別される進化領域間の動的遷移が同定された。
• 実験装置により、インプリンティ-ボソン相互作用強度を体系的に変化可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多数体ボソン的環境に浮かぶ量子インプリンティは、どのように動的に進化するか？
• RQ2 ボーズポラロンの形成を支配する明確なダイナミクス的領域は何か？
• RQ3 ポラロン形成過程で少数体プロセスがどのように集団的多数体挙動に移行するか？
• RQ4 相互作用する量子系の非平衡ダイナミクスに、どのような普遍的特徴が現れるか？

主な発見

• インプリンティの進化に関する三つの明確なダイナミクス的領域が特定され、それぞれが異なる緩和および相関ダイナミクスを特徴づける。
• これらの領域間の動的遷移が観測され、初期の少数体プロセスと最終的な多数体準粒子挙動を結ぶ。
• 弱いから強い相互作用領域にかけてボーズポラロンの形成が観測され、連続的な進化が明らかになった。
• 相互作用強度にわたる普遍的ダイナミクス的挙動が示され、多数体量子ダイナミクスの頑健性が示された。