[논문 리뷰] Emergent interaction-driven elliptic flow of few fermionic atoms

Sandra Brandstetter, Philipp Lunt외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 18.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 척도 분리가 없는 소수의 페르미온 시스템에서 상호작용에 의해 유도되는 타원형 유동과 같은 잠재적인 유체역학적 행동이 나타남을 보여준다. 10개의 강하게 상호작용하는 원자로 이루어진 소수의 페르미온 시스템에서, 타원형 트랩에 갇힌 초냉각 원자를 이용해 팽창 중에 동역학적 비대칭성과 축 비율의 역전을 관측하였으며, 이는 유체역학의 특징적인 징후이다. 이는 전통적인 유체역학 조건이 충족되지 않는 메조스코픽 양자 시스템에서 도전적인 결과이다.

ABSTRACT

Hydrodynamics provides a successful framework to effectively describe the dynamics of complex many-body systems ranging from subnuclear to cosmological scales by introducing macroscopic quantities such as particle densities and fluid velocities. According to textbook knowledge, it requires coarse graining over microscopic constituents to define a macroscopic fluid cell, which is large compared to the interparticle spacing and the mean free path. In addition, the entire system must consist of many such fluid cells. In high energy heavy ion collisions, hydrodynamic behaviour is inferred from the observation of elliptic flow. Here, we demonstrate the emergence of elliptic flow in a system of few strongly interacting atoms. In our system a hydrodynamic description is a priori not applicable, as all relevant length scales, i.e. the system size, the inter-particle spacing, and the mean free path are comparable. The single particle resolution, deterministic control over particle number and interaction strength in our experiment allow us to explore the boundaries between a microscopic description and a hydrodynamic framework in unprecedented detail.

연구 동기 및 목표

• 전통적인 유체역학 조건(척도 분리)이 적용되지 않는 소수의 양자 시스템에서 유체역학적 행동의 발생을 조사하는 것.
• 조절 가능한 상호작용 강도를 가진 제어 가능한 소수의 시스템에서 비상호작용에서 강한 상호작용으로의 전이를 탐색하는 것.
• 시스템의 치수, 입자 간 거리, 평균 자유 길이가 유사할 경우에도 타원형 유동과 같은 유체역학 현상이 발생할 수 있는지 테스트하는 것.
• 소수의 양자역학적 동역학과 매크로스코픽 유체역학 기술 간의 다리를 놓는 것.
• 메조스코픽 영역에서 실험 데이터와 일치하는 다체 상태방정식과 토머스-페르미 프로파일을 기반으로 한 유체역학 시뮬레이션을 검증하는 것.

제안 방법

• 타원형 형상의 광학 트랩 내에서 5+5 스핀 업 및 스핀 다운 초냉각 페르미온 원자를 강하게 상호작용하는 상태로 준비하는 것.
• 변동 가능한 팽창 시간 후 실공간 밀도와 운동량 공간 분포를 측정하기 위해 시간에 따른 비행 영상 기반 단일 입자 해상도를 활용하는 것.
• 피셔 레조넌스를 통해 상호작용 강도를 조절하여 상태방정식을 제어하고 비상호작용에서 유체역학 영역으로의 전이를 탐색하는 것.
• 다체 상태방정식(EOS)과 토머스-페르미 프로파일을 사용한 유체역학 시뮬레이션을 통해 운동량 비대칭성과 축 비율 변화를 예측하는 것.
• 실험 데이터와 이상적인 유체역학 예측 간의 비교를 위해 시간에 따른 평균 제곱 위치 및 운동량 변화를 분석하는 것.
• 운동량 공간의 압력 텐서와 유체역학 방정식(예: 식 10 및 11)을 사용하여 운동량 재분포 및 비대칭성의 축적을 분석하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 척도 분리가 없는 소수의 페르미온 시스템에서 타원형 유동과 같은 유체역학적 행동이 나타날 수 있는가?
• RQ2 상호작용 강도는 10개의 원자로 이루어진 시스템에서 집단적 운동량 비대칭성의 발생에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 메조스코픽 소수의 시스템에서 상태방정식 기반의 유체역학 예측이 실험 관측과 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ4 유한 체적 보정 및 비평형 효과는 이상적인 유체역학 행동에서 얼마나 벗어나게 하는가?
• RQ5 운동량 비대칭성의 축적 시간 스케일은 유체역학 예측(τ ≈ R/cs)과 일치하는가?

주요 결과

• 10개의 강하게 상호작용하는 페르미온 시스템에서 타원형 유동이 나타나며, 이는 실공간에서의 초기 축 비율의 역전과 운동량 비대칭성의 발달로 증명된다.
• 운동량 비대칭성은 초기 운동량 분포가 아닌 다체 상호작용에서 기인하며, 이는 단일 입자 동역학과의 차이를 보인다.
• 다체 상태방정식(EOS) 기반의 유체역학 시뮬레이션은 실험적 평균 제곱 위치 및 운동량의 진화를 정량적으로 재현하여 유체역학 기술의 타당성을 검증한다.
• 비대칭성 축적 시간 스케일(τ ≈ 0.1 ms)은 유체역학 예측 τ ≈ R/cs와 일치하며, 여기서 R ~ 1 μm 이고 cs ~ 10 μm/ms 이다.
• 초기 밀도 프로파일은 토머스-페르미 예측과 다름을 보이며, 소수의 시스템에서의 상당한 유한 체적 보정이 있음을 시사한다.
• 모든 관련 체적 척도(시스템 치수, 입자 간 거리, 평균 자유 길이)가 유사할 때조차도 시스템이 유체역학적 행동을 보이며, 기존의 대규모 시스템 요구 조건을 도전한다.