[論文レビュー] Observation of Breathers in an Attractive Bose Gas

P. J. Everitt, M. A. Sooriyabandara+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2015

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 37被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、85 Rb原子の引力的相互作用を示すボーズ・アインシュタイン凝縮において、物質波ブレーター（周期的で局在したソリトン様構造）の初回実験的観測を報告している。シガーライクな光トラップにおける四極子モード励起と、三次・五次項を含むグロス＝ピタエフスキー方程式へのフィッティングにより、観測された安定したブレーターと、自由拡散時の異常な位相差を説明するために、反発的三体相互作用（Re[g₃] = 1.23×10⁻²⁵ ℏ cm⁶ s⁻¹）が不可欠であると特定した。

ABSTRACT

In weakly nonlinear dispersive systems, solitons are spatially localized solutions which propagate without changing shape through a delicate balance between dispersion and self-focusing nonlinear effects. These states have been extensively studied in Bose-Einstein condensates, where interatomic interactions give rise to such nonlinearities. Previous experimental work with matter wave solitons has been limited to static intensity profiles. The creation of matter wave breathers--dispersionless soliton-like states with collective oscillation frequencies driven by attractive mean-field interactions--have been of theoretical interest due to the exotic behaviour of interacting matter wave systems. Here, using an attractively interacting Bose-Einstein condensate, we present the first observation of matter wave breathers. A comparison between experimental data and a cubic-quintic Gross-Pitaevskii equation suggests that previously unobserved three-body interactions may play an important role in this system. The observation of long lived stable breathers in an attractively interacting matter wave system indicates that there is a wide range of previously unobserved, but theoretically predicted, effects that are now experimentally accessible.

研究の動機と目的

• 引力的相互作用を示すボーズ・アインシュタイン凝縮において、物質波ブレーターを実験的に観測すること。
• 大きな負のs波散乱長における凝縮体の安定化に寄与する三体相互作用の役割を調査すること。
• 二体相互作用のみで予測される値と観測された四極子振動周波数の乖離を解明すること。
• 自由拡散中の軸方向および径方向振動の間の位相差を定量的に評価し、多体効果と関連付けること。

提案手法

• Feshbach共鳴を用いた制御されたs波散乱長のジャンプにより、85 Rb BECにおける四極子集団モードを励起した。
• 円筒対称性下での逆ラドン変換を用いた主成分分析を適用した二軸吸収イメージングにより、時間経過に伴う径方向および軸方向雲幅を測定した。
• 雲幅の時間発展を減衰正弦曲線にフィッティングし、四極子モード周波数 ωQ を抽出した。
• aₛ = 0 における ωQ と重心モード周波数 ωz の比を比較し、比 ωQ/ωz = 1.67 ± 0.03 を得た。
• 反発的三体相互作用項（Re[g₃]）を含む三次・五次項グロス＝ピタエフスキー方程式を用いて自由拡散をシミュレートし、位相差をモデル化した。
• GP汎関数のエネルギー表面解析により、Re[g₃] ≠ 0 のとき、大きな負の aₛ において凝縮体が安定化されることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 引力的相互作用を示すボーズ・アインシュタイン凝縮において、物質波ブレーターを実験的に観測できるか？
• RQ2 aₛ = 0 における観測された四極子モード周波数比 ωQ/ωz = 1.67 ± 0.03 が、非相互作用予測値の2よりも顕著に小さいのはなぜか？
• RQ3 観測された安定性および四極子振動の位相差を説明する、二体散乱を超える多体相互作用は何か？
• RQ4 自由拡散中の20 ms間における軸方向および径方向幅の間の異常な位相差 (0.24 ± 0.06)π は、三体相互作用によって定量的に説明可能か？
• RQ5 反発的三体相互作用項の導入により、大きな負のs波散乱長における凝縮体の崩壊から安定化されるか？

主な発見

• シガーライクな光トラップにおける四極子モード励起を用いて、引力的ボーズガスにおける物質波ブレーターの初回実験的観測に成功した。
• aₛ = 0 において、測定された四極子モード周波数と重心モード周波数の比は ωQ/ωz = 1.67 ± 0.03 であり、非相互作用予測値の2よりも顕著に小さい。
• aₛ = 0 における ωQ/ωz の乖離は、Re[g₃] = 1.23×10⁻²⁵ ℏ cm⁶ s⁻¹ の非ゼロ反発的三体相互作用によって定量的に説明できる。
• 20 ms の自由拡散中の軸方向および径方向振動の間の異常な位相差 (0.24 ± 0.06)π は、シミュレーションで Re[g₃] ≠ 0 の場合にのみ正確に再現された。
• 反発的三体相互作用項の導入により、大きな負のs波散乱長において凝縮体が安定化され、長寿命のブレーターの観測が可能となった。
• 三次・五次項グロス＝ピタエフスキー方程式のエネルギー表面解析により、aₛ = -20a₀ において Re[g₃] ≠ 0 が安定固定点をもたらし、崩壊を防ぐために不可欠であることが確認された。