[論文レビュー] Splitting and recombination of bright-solitary-matter waves

Oliver J. Wales, Ana Rakonjac+4 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2019

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 49被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、吸引的s波相互作用を有する85Rb原子のボーズ＝アインシュタイン凝縮において、明るいソリトン状物質波の分裂と再結合を、狭い反発的ガウス障壁を用いて実験的に示した。障壁幅がソリトン長スケールに近づくと、干渉によって誘導される再結合が、古典的運動量フィルタリング効果を上回ることが示された。主な結果は、再結合が実験的パラメータに極めて敏感であることにあり、ソリトン干渉計が高精度測定に応用可能である可能性を示している。

ABSTRACT

Solitons are long-lived wavepackets that propagate without dispersion and exist in a wide range of one-dimensional (1D) nonlinear systems. A Bose-Einstein condensate trapped in a quasi-1D waveguide can support bright-solitary-matter waves (3D analogues of solitons) when interatomic interactions are sufficiently attractive that they cancel dispersion. Solitary-matter waves are excellent candidates for a new generation of highly sensitive interferometers, as their non-dispersive nature allows them to acquire phase shifts for longer times than conventional matter-waves interferometers. However, such an interferometer is yet to be realised experimentally. In this work, we demonstrate the splitting and recombination of a bright-solitary-matter wave on a narrow repulsive barrier, which brings together the fundamental components of an interferometer. We show that both interference-mediated recombination and classical velocity filtering effects are important, but for a sufficiently narrow barrier interference-mediated recombination can dominate. We reveal the extreme sensitivity of interference-mediated recombination to the experimental parameters, highlighting the potential of soliton interferometry.

研究の動機と目的

• 明るいソリトン状物質波の分裂と再結合という、ソリトンに基づく物質波干渉計の基本的構成要素を実験的に実現すること。
• 障壁誘導による分裂過程における、干渉によって誘導される再結合と古典的運動量フィルタリング効果の相乗作用を調査すること。
• 干渉が支配的となる条件を特定し、高感度干渉計応用を可能にする条件を同定すること。
• Gross-Pitaevskii方程式のシミュレーションと近似解析モデルを用いて実験結果を検証すること。
• 明るいソリトン干渉計を用いた長時間位相蓄積、非分散的干渉測定の可能性を検討すること。

提案手法

• 吸引力s波相互作用を有する85Rb原子の一次元的ボーズ＝アインシュタイン凝縮を準備し、明るいソリトンを支持するようにした。
• 青線にシフトした高楕円度のレーザービームを用いて、幅が調整可能な反発的ガウス障壁（幅3.6 ± 0.4 µm、幅10.6 +0.5 −0.1 µm）を生成した。
• 再結合後の障壁両側の状態に分配された粒子数分率を測定するために、破壊的吸収像法を用いた。
• 反復的双共役勾配法を用いて、一次元Gross-Pitaevskii方程式のシミュレーションを実施し、ソリトンの動的挙動をモデル化した。
• 次元なしソリトン単位で定式化された近似解析モデルを構築し、再結合効率と干渉縞の推定を試みた。
• 狭い障壁に対してはδ関数障壁近似を用い、再結合振幅に位相依存性の干渉を組み込んだ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 障壁幅がソリトン幅に近づく条件下で、分裂と再結合において干渉によって誘導される再結合が、古典的運動量フィルタリング効果を上回る条件は何か？
• RQ2 障壁幅がソリトン幅に対してどのように変化するかが、再結合効率および粒子数分布に与える影響は何か？
• RQ3 ソリトンの速度と位相コherー二ンスが、分裂後の再結合結果に果たす役割は何か？
• RQ4 近似解析モデルが、干渉縞のパターンと再結合効率をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 障壁位置やソリトン初期速度といった実験的パラメータが、再結合結果の感受性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 広い障壁（10.6 µm）の場合、古典的運動量フィルタリングが支配的となり、再結合後に大部分の粒子が元の左側に再帰する。
• 狭い障壁（3.6 µm）の場合、干渉によって誘導される再結合が支配的となり、再結合後の粒子数が障壁両側にショットごとの変動を示す。
• 再結合結果は実験的パラメータ、特に障壁のオフセット位置に対して極めて敏感であり、これは位相依存性の干渉に起因する。
• 解析モデルは広いパラメータ領域で縞の間隔を正確に予測でき、実験的およびシミュレーション結果と定性的に一致する。
• 広い障壁や遅いソリトン速度の場合は、古典的効果が支配的になるため、モデルは破綻する。
• 本系は20秒を超えるソリトン寿命を示し、重心運動が30回以上繰り返され、合計で2 cm以上のパス長が確保された。これは、長時間位相蓄積型干渉計の実現を可能にする。