[論文レビュー] Quantum Cherenkov transition of finite momentum Bose polarons

Kushal Seetharam, Yulia E. Shchadilova+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、吸引的相互作用へのクイench後、3次元ボーズ・アインシュタイン凝縮体における有限運動量の不純物の非平衡ダイナミクスを調査し、相互作用強さに依存する臨界速度における量子チェレノフスキー遷移を明らかにした。時間に依存する変分法を用いて、ロシュミート・エコーと不純物速度における急激な遷移を同定し、有限運動量基底状態における全運動量に対する群速度依存性の喪失を示した。時間飛行法、RF分光法、ラマーシー干渉計を用いた実験的観測が可能である。

ABSTRACT

We investigate the behavior of a finite-momentum impurity immersed in a weakly interacting three-dimensional Bose-Einstein condensate (BEC) of ultra-cold atoms, giving a detailed account of the dynamical quantum Cherenkov transition discussed in Ref. [arXiv:2101.00030]. Using a time-dependent variational approach, we identify a transition in the far-from-equilibrium dynamics of the system after the attractive short-range impurity-boson interaction is quenched on. The transition occurs as the impurity's velocity crosses an interaction-dependent critical value, and manifests in the long-time behavior of the Loschmidt echo and average impurity velocity. This behavior is also reflected in the finite momentum ground state of the system, where the group velocity of the interaction-dressed impurity loses it's dependence on the total momentum of the system as the critical point is crossed. The transition we discuss should be experimentally observable via a variety of common protocols in ultracold atomic systems such as time-of-flight imaging, RF spectroscopy, Ramsey interferometry, and absorption imaging.

研究の動機と目的

• 非摂動的相互作用へのクイench後、弱い相互作用を示す3次元ボーズ・アインシュタイン凝縮体における有限運動量不純物の非平衡ダイナミクスを理解すること。
• チャレンコフ放射に類似したが、量子ポラロン的文脈における新しい量子チェレノフスキー遷移を同定すること。
• ロシュミート・エコーと平均不純物速度を用いて遷移を特徴付け、ドレッシングされたポラロンの群速度と関連付けること。
• 時間飛行法、RF分光法、ラマーシー干渉計を含む標準的な超冷却原子技術を用いて、この遷移が実験的に観測可能であることを示すこと。

提案手法

• 非相互作用から相互作用ハミルトニアンへのクイench後の不純物-BEC系のダイナミクスを、時間に依存する変分法によって解析する。
• 初期状態への還元振幅の尺度としてロシュミート・エコーを計算し、漸近的挙動を準粒子残留度と関連付ける。
• 有限運動量基底状態を分析して、相互作用によってドレッシングされた不純物の群速度を抽出し、臨界点で運動量依存性が失われる様子を明らかにする。
• 有限運動量基底状態エネルギーの2階微分の不連続性を用いて、臨界運動量を数値的に抽出する。
• 弱い結合領域における変分法の妥当性を確認するため、フェルミの黄金律の予測とダイナミクスを比較する。
• 時間経過に伴うフォノン運動量分布を追跡し、チャレンコフ的放射に類似した位相空間構造の出現を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限運動量ボーズポラロンの非平衡ダイナミクスに急激な遷移が現れる臨界不純物速度は、どの程度の値か？
• RQ2 臨界速度を超えた前後において、相互作用によってドレッシングされた不純物の群速度は、系の全運動量にどのように依存するか？
• RQ3 相互作用強さが、量子チェレノフスキー遷移の臨界運動量をどのように決定するか？
• RQ4 ロシュミート・エコーと平均不純物速度は時間とともにどのように変化し、それらが遷移をどのように示すか？
• RQ5 標準的な超冷却原子プロトコルの中で、量子チェレノフスキー遷移を実験的に検出するために使用可能なものは何か？

主な発見

• 不純物の速度が相互作用強さに依存する臨界値を超えると、有限運動量基底状態エネルギーの2階微分の不連続性を特徴とする量子チェレノフスキー遷移が発生する。
• ロシュミート・エコーは無限時間における準粒子残留度に漸近するが、その時間発展は臨界速度で急激な遷移を示す。
• 平均不純物速度は、臨界点で減衰ダイナミクスに顕著な変化を示し、サブソンイックからチェレノフスキー的放射への遷移を示唆する。
• 有限運動量基底状態において、ドレッシングされた不純物の群速度は臨界点で全運動量の依存性を失い、準粒子の性質に根本的な変化が生じることを示す。
• 時間飛行法、RF分光法、ラマーシー干渉計、および超冷却原子系における吸収像像法を用いて、この遷移は実験的に観測可能である。
• フォノン放射パターンは時間経過とともに変化し、十分な時間が経過すると長波長フォノンが励起され、フェルミの黄金律およびチェレノフスキー的放射と整合的になる。