[論文レビュー] The Dicke Quantum Phase Transition in a Superfluid Gas Coupled to an Optical Cavity

Kristian Baumann, Christine Guerlin+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2009

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、光圏に結合されたボーズ＝アインシュタイン凝縮系において、2光子過程によって誘導される無限に長いスケールの原子間相互作用を介して自己組織的スーパーソリッド相を実現する、ディッケ量子相転移を実証している。この相転移は、反転項を含むディッケハミルトニアンによって定量的に記述され、対称性の破れおよび相境界マッピングによって確認されている。

ABSTRACT

A phase transition describes the sudden change of state in a physical system, such as the transition between a fluid and a solid. Quantum gases provide the opportunity to establish a direct link between experiment and generic models which capture the underlying physics. A fundamental concept to describe the collective matter-light interaction is the Dicke model which has been predicted to show an intriguing quantum phase transition. Here we realize the Dicke quantum phase transition in an open system formed by a Bose-Einstein condensate coupled to an optical cavity, and observe the emergence of a self-organized supersolid phase. The phase transition is driven by infinitely long-ranged interactions between the condensed atoms. These are induced by two-photon processes involving the cavity mode and a pump field. We show that the phase transition is described by the Dicke Hamiltonian, including counter-rotating coupling terms, and that the supersolid phase is associated with a spontaneously broken spatial symmetry. The boundary of the phase transition is mapped out in quantitative agreement with the Dicke model. The work opens the field of quantum gases with long-ranged interactions, and provides access to novel quantum phases.

研究の動機と目的

• 長距離相互作用を有する制御された超低温原子系において、ディッケ量子相転移を観測すること。
• ディッケモデルと多体系における量子相転移との間の直接的な実験的関係を確立すること。
• キャビティ結合ボーズ＝アインシュタイン凝縮系における空間対称性の自発的破れを通じたスーパーソリッド相の出現を調査すること。
• 相転移の境界をマッピングし、反転項を含むディッケハミルトニアンの予測と定量的に比較すること。

提案手法

• ポンプ場を介する2光子過程を通じて、光圏モードと結合されたボーズ＝アインシュタイン凝縮系を用いて、長距離相互作用を誘導する。
• 系を、反転項を含むディッケハミルトニアンが力学を支配する領域に駆動する。
• 集団的物質-光相互作用を設計し、オープンな量子系においてディッケモデルを実現する。
• 原子クラウドの密度および運動量分布を測定することで、空間対称性の破れを調べる。
• ポンプラビー周波数およびキャビティデチューニングを変調することで、相転移境界をマッピングする。
• 実験的相境界と、反転項を含むディッケモデルからの理論的予測を定量的に比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超流動性ガスが光圏に結合された有限でオープンな量子系において、ディッケ量子相転移を実現できるか？
• RQ2 この系におけるスーパーソリッド相の出現に、反転項の結合項が果たす役割は何か？
• RQ3 2光子過程は、凝縮状態の原子間にどのように無限に長いスケールの相互作用を生成するか？
• RQ4 観測された相境界は、ディッケハミルトニアンの予測とどの程度一致するか？
• RQ5 スーパーソリッド相は、連続的な空間対称性の自発的破れによって特徴づけられるか？

主な発見

• ボーズ＝アインシュタイン凝縮系が光圏に結合された系において、長距離相互作用を有する多体系におけるディッケ量子相転移が実験的に実現された。
• 系は自己組織的スーパーソリッド相を示し、超流動性と周期的密度秩序が共存する特徴を持つ。
• 相転移は、キャビティモードとポンプ場を介する2光子過程によって誘導される無限に長いスケールの相互作用によって駆動される。
• 観測された相境界は、反転項を含むディッケハミルトニアンの予測と定量的に一致する。
• スーパーソリッド相は、原子クラウドにおける周期的密度モードの形成によって確認された空間対称性の自発的破れに関連している。
• 本実験的実現は、長距離相互作用を有する系における量子相を研究するためのプラットフォームを提供し、超低温原子物理学の応用範囲を拡張する。