[논문 리뷰] Dephasing and Relaxation of Bosons in 1D: Newton's Cradle Revisited

Chen Li, Tianwei Zhou외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 05.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 55인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 1차원 초냉각 보손에서의 비탄력성과 위상분리 현상을 2D 광학 격자로 구성된 1D 튜브에서 뉴턴의 볼링거와 유사한 설정을 통해 조사한다. 4.8초에 걸쳐 최소한의 가열로 진동을 관측함으로써, 초기 에너지가 이러한 상태를 직접 자극하기에 부족한 상황에서도, 횡방향 진동 상태에 있는 원자들에서 아주 작은(1%) 씨앗이 존재할 경우 비탄력성의 시작이 가능하다는 것을 입증하며, 직접 자극에 의존하지 않는 양자적 비탄력성 메커니즘을 제시한다.

ABSTRACT

We study the relaxation of ultra-cold bosons in one dimension. In a setting similar to the Newton's cradle experiment by Kinoshita et al.[Nature (London) 440, 900 (2006)], we excite the atoms to oscillate and collide in a 2D optical lattice of 1D tubes and observe the oscillations for up to 4.8 seconds (400 oscillations) with very little heating and loss. Tuning the initial distribution, we can probe the onset of relaxation in the cross over between 1D and 3D. Investigating the population of the transverse excited state by band mapping, we show that even for samples where the energy put into the system is initially not sufficient to excite transverse state, relaxation starts through a minimal (1%) seed of atoms in transverse excited states.

연구 동기 및 목표

• 뉴턴의 볼링거를 모방한 조건에서 1차원 초냉각 보손의 비탄력성 동역학을 조사하기 위해.
• 초기 분포를 조절함으로써 1D와 3D 행동 간의 전이를 이해하기 위해.
• 초기 에너지가 직접 자극 가능한 임계값 이하일 때 횡방향 진동 상태가 비탄력성의 시작에 어떤 역할을 하는지 조사하기 위해.

제안 방법

• 초냉각 보손을 2D 광학 격자에 적재하여 1D 튜브를 형성함으로써 1D 동역학을 격리한다.
• 진동 운동을 유도하기 위해 원자들을 위상적으로 일관된 초위상으로 준비한다. 이는 뉴턴의 볼링거를 시뮬레이션한다.
• 시간에 따른 비행 밴드 매핑을 사용하여 고해상도로 횡방향 진동 상태의 분포를 측정한다.
• 시스템을 4.8초(400개의 진동) 동안 모니터링하여 최소한의 가열과 손실로 위상분리와 비탄력성을 평가한다.
• 초기 조건을 조절하여 1D와 3D 비탄력성 행동 간의 전이를 탐색한다.
• 횡방향 진동 상태에 있는 원자들의 최소한의(1%) 씨앗 존재를 이용해 비탄력성 시작을 탐지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 에너지가 횡방향 모드를 직접 자극하기에 부족한 상황에서 1D 초냉각 보손 시스템에서 비탄력성은 무엇에 의해 유도되는가?
• RQ2 1D에서 3D 특성으로의 전이 기간 동안 시스템의 비탄력성 행동은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 다수의 양자역학적 시스템에서 횡방향 진동 상태가 비탄력성의 씨앗으로서 얼마나 중요한가?
• RQ4 직접적인 횡방향 모드의 인구가 없더라도 비탄력성이 발생할 수 있는가? 만약 가능하다면 어떤 메커니즘이 이를 가능하게 하는가?
• RQ5 1D 초냉각 보손 시스템에서 위상 일관성이 위상분리가 발생하기 전까지 얼마나 오랫동안 유지될 수 있는가?

주요 결과

• 최소한의 가열과 손실로 4.8초(400개의 진동) 동안 위상 일관성이 유지되며, 이는 1D 시스템에서 장수명의 위상 일관성이 있음을 시사한다.
• 초기 에너지가 횡방향 모드를 자극할 수 있는 임계값 이하일 때조차도 비탄력성이 시작된다.
• 횡방향 진동 상태에 있는 원자들에서 아주 작은 씨앗(1%)이 존재할 경우 측정 가능한 비탄력성 동역학을 유도하는 데 충분하다.
• 비탄력성의 시작은 직접적인 횡방향 상태 자극에 의존하지 않으며, 이 작은 비율의 원자들이 씨앗 역할을 한다.
• 밴드 매핑 결과, 횡방향 진동 상태의 인구 분포가 시간에 따라 변화하며, 이는 위상분리와 비탄력성과 관련이 있음을 확인한다.