[論文レビュー] Properties of a dipolar condensate with three-body interactions

Peter Blakie|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2016

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、反発的三体相互作用（TBI）を有する調和的に捕獲されたドーピング型ボーズ＝アインシュタイン凝縮系を調査し、通常の凝縮状態と自己自己相関性を持つドロップレット状態との間で一次転移が発生することを示した。変分モデルと完全数値シミュレーションを用いて、トラップポテンシャルを動的に調整することで単一のドロップレットを選択的に生成可能であり、また、転移を通過する非断熱的クエンチングによってドロップレット結晶が生成されることを示した。

ABSTRACT

We obtain the phase diagram for a harmonically trapped dilute dipolar condensate with a short ranged conservative three-body interaction. We show that this system supports two distinct fluid states: a usual condensate state and a self-cohering droplet state. We develop a simple model to quantify the energetics of these states, which we verify with full numerical calculations. Based on our simple model we develop a phase diagram showing that there is a first order phase transition between the states. Using dynamical simulations we explore the phase transition dynamics, revealing that the droplet crystal observed in previous work is an excited state that arises from heating as the system crosses the phase transition. Utilising our phase diagram we show it is feasible to produce a single droplet by dynamically adjusting the confining potential.

研究の動機と目的

• 希薄なドーピング型凝縮体に反発的短距離三体相互作用（TBI）を有する系の基底状態の性質を理解すること。
• TBIがドーピング型双極子相互作用による引力に起因する崩壊から高密度ドロップレット状態を安定化させるかどうかを特定すること。
• 系の相図をマッピングし、低密度状態と高密度状態の間の相転移の性質を同定すること。
• クエンチプロトコルを変化させることで、単一ドロップレットまたはドロップレット結晶を生成するための動的経路を探索すること。
• 段階的制御によるトラップポテンシャルの制御によって、孤立したドロップレットを実験的に実現可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 系は、ドーピング型双極子相互作用（DDI）、s波接触相互作用、および反発的三体相互作用（TBI）項を含む時間に依存するグロス＝ピタエフスキー方程式（GPE）を用いてモデル化された。
• 変分モデルを構築し、凝縮体およびドロップレット状態のエネルギー的性質を解析的に定量化することで、相図の構築が可能になった。
• 初期状態の準備にニュートン＝クリフォフ法を用いた3次元グリッド上での4次ルンゲ＝クッタ法を用いた完全数値シミュレーションが実施された。
• ドロップレット形成を誘発するために、単一粒子基底における切断Wigner表現を用いて初期の量子的および熱的ゆらぎを導入した。
• 相転移を通過するため、時間に依存するs波散乱長およびトラップのアスペクト比を変化させることで、動的クエンチングプロトコルを適用した。
• 2種類の異なるクエンチ経路をシミュレーションした：線形および正弦波的経路で、後者は臨界遅延を回避するための同時横方向トラップ調制を含んでいた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 支配的であるドーピング型双極子相互作用に起因する引力に対して、反発的三体相互作用が自己自己相関性を持つドロップレット状態を安定化させるか？
• RQ2 通常の凝縮状態とドロップレット状態との間の相転移の性質は何か？
• RQ3 トラップポテンシャルを調整することで、単一ドロップレットを動的に生成可能か？また、どのような条件下で可能か？
• RQ4 過去のシミュレーションで観測されたドロップレット結晶はなぜ形成されるのか？これは平衡状態か、励起状態か？
• RQ5 量子的および熱的ゆらぎは、非断熱的クエンチの過程におけるドロップレット形成のダイナミクスにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 系は2つの明確に異なる流体的基底状態を示す：低密度凝縮状態と高密度自己自己相関性を持つドロップレット状態で、これは引力的ドーピング型双極子相互作用と反発的三体相互作用のバランスによって安定化される。
• これらの状態間の転移は一次相転移であることが、変分モデルによる確認と完全数値シミュレーションによる検証で裏付けられた。
• 過去のシミュレーションで観測されたドロップレット結晶は、相転移を通過する非断熱的クエンチングに起因する励起状態であり、基底状態ではないことが特定された。
• 臨界点を避ける経路に従うことで、系は断熱的に基底状態に駆動され、単一ドロップレットの生成が可能になる。
• 変分モデルはエネルギー的性質を定量的に正確に記述でき、さまざまなパrameter領域においても頑健であることが示された。
• シミュレーションでは、特に正弦波的トラップ調制を含む経路2の適切なクエンチプロトコルにより、単一ドロップレットを信頼性高く生成可能であり、一方経路1では結晶形成が生じることが示された。