[論文レビュー] Observation of Subdiffusive Dynamic Scaling in a Driven and Disordered Bose Gas.

Gevorg Martirosyan, Christopher J. Ho+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 57被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、強い駆動力と弱い不規則性を有する3次元ボーズ・アインシュタイン凝縮系において、エネルギー空間におけるランダムウォークに起因し、エネルギーが時間の0.5乗に比例して非線形に増加する、準拡산的動的スケーリングを観測した。運動量分布は普遍的かつ等方的で、圧縮指数関数的スケーリングを示すが、非不規則系におけるカオス的ダイナミクスとは対照的である。相互作用を増加させると、パワー則スケーリングを示す波動乱流へ滑らかなかい離が生じ、駆動された量子多体系における非平衡状態の連続的遷移を明らかにした。

ABSTRACT

We explore the dynamics of a tuneable box-trapped Bose gas under strong periodic forcing in the presence of weak disorder. In absence of interparticle interactions, the interplay of the drive and disorder results in an isotropic nonthermal momentum distribution that shows subdiffusive dynamic scaling, with sublinear energy growth and the universal scaling function captured well by a compressed exponential. We explain that this subdiffusion in momentum space can naturally be understood as a random walk in energy space. We also experimentally show that for increasing interaction strength, the gas behavior smoothly crosses over to wave turbulence characterized by a power-law momentum distribution, which opens new possibilities for systematic studies of the interplay of disorder and interactions in driven quantum systems.

研究の動機と目的

• 3次元超低温ボーズガスにおける強力な周期的駆動、弱い不規則性、および相互作用の相乗的効果を調査すること。
• これらの条件下で非相互作用極限において準拡散的動的スケーリングが出現するかどうかを特定すること。
• 相互作用強度を増加させることによる準拡散的ダイナミクスから波動乱流への遷移を調査すること。
• 駆動パラメータと不規則性パラメータの変動に対して、動的スケーリングの普遍性と頑健性を検証すること。

提案手法

• 磁場制御により相互作用を調整可能な、トロイダル型トラップに閉じ込められた3次元ボックストラップ ³⁹K ボーズ＝アインシュタイン凝縮体の実験的実現。
• 系を非平衡状態に駆動するため、強い周期的軸方向力 F = (Us/L)cos(ωₛt)ẑ を適用。
• レーザー強度を変化させることで弱い光学的不規則性を導入し、トラップ深さ UD に比例させる。
• 飛行時間イメージングにより2次元運動量分布 nk(kx, kz) を測定し、その後統合して1次元径方向および軸方向運動量分布を取得。
• 運動量分布を圧縮指数関数 fce = A₀ exp[−(kr/k₀)ᵏ] でフィッティングし、スケーリング指数 α および β を抽出。
• 駆動周波数 ωₛ、駆動強度 Us、不規則性強度 Γd を系統的に変化させ、スケーリングの頑健性を検証し、遷移領域を同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 駆動され、不規則性を有する非相互作用ボーズガスにおいて、準拡散的動的スケーリングが出現するか。そのスケーリング指数は何か。
• RQ2 運動量分布は時間とともにどのように変化するか。普遍的かつ等方的スケーリングを示すか。
• RQ3 エネルギー空間におけるランダムウォークが、観測された準拡散的ダイナミクスを説明する役割を果たすか。
• RQ4 相互作用強度を増加させることで、動的スケーリングはどのように変化するか。波動乱流への連続的過渡が生じるか。
• RQ5 駆動周波数、駆動強度、不規則性強度の変動に対して、観測された動的スケーリングは頑健か。

主な発見

• 非相互作用の駆動ボーズガスは、指数 β ≈ 0.24 を示す準拡散的エネルギー増加を示し、エネルギーのスケーリングは t₀.₅ₛ に比例する。
• 運動量分布は κ ≈ 2.9–3.0 の圧縮指数関数的分布に従い、普遍的かつ等方的で、非平衡状態のスケーリングを示す。
• 相互作用強度を増加させると、スケーリングは滑らかなかい離を経て、パワー則運動量分布を示す波動乱流へと移行する。
• 動的スケーリングは、広範な駆動パラメータ（ωₛ, Us）および不規則性強度（Γd）に対して頑健であり、一貫したスケーリング指数 α/2 ≈ β ≈ 0.24–0.30 および κ ≈ 2.2–3.0 を示す。
• ωₛ ≈ ωz のとき、準拡散的スケーリングは維持され、わずかに異なる指数（β ≈ 0.30、κ ≈ 2.2）を示し、ガウス的挙動に近づく。
• 観測されたダイナミクスは、不規則性が駆動力への繰り返し結合を可能にし、エネルギー空間におけるランダムウォークを引き起こすことで説明できる。