[논문 리뷰] Correlations and dynamics of tunnel-coupled one-dimensional Bose gases

Thomas Schweigler|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 01.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 75인용 수 23

한 줄 요약

이 학위논문은 터널 결합된 1차원 초냉각 보즈 가스가 이중우물 퍼텐셜에 놓여진 상태에서 물질파 간섭을 이용해 공간적 위상 상관관계를 측정함으로써, 터널링을 시작한 후 갑작스럽게 우물을 분리함으로써 '가우시피케이션'(Gaussification)의 첫 실험적 관측을 수행한다. 이는 비가우시안에서 가우시안 위상 변동으로의 동적 진화를 보여주며, 양자 다체계가 유니타리 진화를 통해 가우시안 평형 상태로 어떻게 회복되는지를 밝힌다.

ABSTRACT

We present a series of experiments performed with two ultracold one-dimensional Bose gases (rubidium atoms) in a double well potential. Employing matter-wave interference, we can measure the spatially resolved phase difference between the two gases and consequently investigate spatial correlations. By investigating whether higher order correlation functions can be factorized into correlations of lower order, we can investigate the interaction properties of the system. For a non-interacting system, all correlation functions with orders greater than two factorize and one observes Gaussian fluctuations. Here, we present the measurement of non-factorizing fourth-order correlation functions, leading to an experimental characterization of the interactions between the collective excitations of the quantum many-body system. The degree of non-factorizibility, i.e., the degree of non-Gaussianity of the phase fluctuations, depends on the tuneable tunneling strength between the wells. Starting from such a non-Gaussian state, we are able to observe the dynamical evolution towards a state with factorizing correlation functions (Gaussian fluctuations). We start in a double well with tunneling and then abruptly decouple the two subsystems. Subsequently, we observe how the initially non-Gaussian phase fluctuations become Gaussian. Moreover, we discuss the dynamical emergence of phase coherence in a double well potential with tunneling. We experimentally investigate the evolution starting from two different initial states. In one case, we split a cloud of atoms into two and trigger global oscillations in their relative phase. The oscillations subsequently damp and phase coherence sets in. In the other case, two independent clouds are suddenly coupled by tunneling. Again, phase coherence emerges between the two subsystems.

연구 동기 및 목표

• 양자 다체계의 동역학, 특히 가우시안 평형 상태의 도래를 이해하기 위함.
• 초냉각 1차원 보즈 가스에서의 비가우시안 상관관계를 실험적으로 탐구하기 위함.
• 다양한 초기 조건에서 터널 결합계에서 위상 일관성이 어떻게 발생하는지 조사하기 위함.
• 상호작용이 있는 양자계에서 고차 상관함수의 인과분해 성질에 대한 이론 예측을 검증하기 위함.
• 터널링 강도가 위상 변동의 비가우시안성 정도에 미치는 영향을 규명하기 위함.

제안 방법

• 초냉각 루비디움 원자를 이중우물 퍼텐셜에 포획하여, 터널링이 가능한 1차원 보즈 가스 두 개를 생성함.
• 터널링 강도를 조절하여 시스템의 위상 일관성과 비가우시안성 정도를 제어함.
• 물질파 간섭 기법을 이용해 공간적으로 해상도가 높은 위상 차이를 측정함.
• 비인과적(비가우시안) 변동을 탐지하기 위해 4차 상관함수를 실험적으로 측정함.
• 우물 사이의 퍼텐셜 장벽을 높여 시스템을 갑작스럽게 분리하여 상관관계의 동적 진화를 연구함.
• 두 가지 다른 초기 상태를 준비함: 위상 진동을 보이는 분리된 클라우드와, 갑작스럽게 터널링으로 연결된 두 개의 독립된 클라우드.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 터널 결합 1차원 보즈 가스에서 위상 변동의 비가우시안성 정도는 터널링 속도에 어떻게 의존하는가?
• RQ2 외부 소산 없이 유니타리 진화만으로도 비가우시안 양자 상태가 가우시안 상태로 동적으로 진화할 수 있는가?
• RQ3 집단 진동이 이러한 시스템에서 고차 상관함수의 구조를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 두 개의 독립된 하위계에서 시작할 때 이중우물 퍼텐셜에서 위상 일관성이 어떻게 발생하는가?
• RQ5 비인과적 4차 상관함수의 실험적 특징은 인과적 상관함수와 어떻게 다를까?

주요 결과

• 이 실험은 이중우물 시스템을 갑작스럽게 분리한 후, 처음에는 비가우시안이었으나 가우시안으로 수렴하는 위상 변동의 동적 진화인 '가우시피케이션'을 처음으로 직접 관측함.
• 비인과적 4차 상관함수를 측정하여, 시스템 내 강한 다체 상관관계와 비가우시안 통계의 존재를 확인함.
• 터널링 속도를 조절함으로써 위상 변동의 비가우시안성 정도를 직접 제어 가능함으로써, 시스템의 통계적 성질에 대한 제어를 입증함.
• 두 초기 조건 모두에서 위상 일관성이 발생함: 분리된 클라우드의 위상 공진 상태에서와, 독립된 하위계가 갑작스럽게 터널링으로 연결될 때.
• 외부 소산 없이도 관측된 가우시안 변동으로의 회복은, 양자 다체계에서 유니타리 양자 진화만으로도 가우시안 평형 상태로 수렴할 수 있음을 시사함.
• 비가우시안성은 저차원 양자 기체에서 강한 상호작용과 집단 행동을 나타내며, 이는 이론 예측과 일치함.