[논문 리뷰] Exotic atom pairs: Repulsively bound states in an optical lattice

Johannes Hecker Denschlag, Andrew J. Daley|arXiv (Cornell University)|2006. 10. 14.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 2인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 강한 온사이트 반발력이 존재하는 광학 격자 내 초냉각 원자 기체에서 반발력으로 유도된 결합된 원자 쌍의 존재를 입증한다. 여기서 운동 에너지 제약에도 불구하고 강한 온사이트 반발력이 붕괴를 방지하여 장수명의 결합 상태를 유도한다. 87Rb 원자에서 관측된 700 ms 수명은 보즈-후브라드 모델에 기반한 이론 예측을 확인하며, 고체계에서 관찰되지 않는 새로운 양자 다체 현상을 드러낸다.

ABSTRACT

We review a recent experiment with ultracold atoms in 3D optical lattices where we have observed a novel kind of bound state of two atoms which is based on repulsive interactions between the particles. These repulsively bound pairs exhibit long lifetimes, even under conditions when they collide with one another. Stable repulsively bound objects should be viewed as a general phenomenon and their existence will be ubiquitous in cold atoms lattice physics. Although the experiment described here is based on bosonic Rb atoms, other composites with fermions or Bose-Fermi mixtures should exist in an analogous manner. Furthermore, repulsively bound objects could also be formed with more than two particles. In the following we will first explain the theoretical background of repulsively atom pairs. Afterwards we will present the experiments which demonstrate several key properties of the pairs. Finally we give a short discussion of how these repulsively bound pairs relate to bound states in some other physical systems.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 원자 기체에서 반발력 상호작용에 의해 형성된 안정된 결합 상태의 존재를 조사하는 것.
• 격자 위치 에너지 장에서 에너지 보존 법칙의 제약에도 불구하고 반발력 상호작용이 어떻게 결합 상태를 유도할 수 있는지 탐구하는 것.
• 통제 가능한 광학 격자 환경에서 장수명의 반발력으로 유도된 쌍의 이론 예측을 실험적으로 검증하는 것.
• 이러한 상태와 보즈-후브라드 모델 간의 연관성을 강한 상호작용 영역에서 규명하는 것.
• 이러한 상태가 페르미온 및 보즈-페르미온 혼합계를 포함한 다양한 원자 종류에 걸쳐 보편적인가를 보여주는 것.

제안 방법

• 강한 온사이트 반발력(U >> J)을 가진 단일 밴드 보즈-후브라드 해밀토니안을 사용한 이론적 분석을 통해 이중 입자 동역학을 모델링하는 것.
• 격자 위에서 두 입자 라이프만-슈비징어 방정식의 정확한 해를 구해 결합 상태의 파동함수와 에너지 스펙트럼을 유도하는 것.
• 1D 및 3D 격자에서의 이중 입자 문제에 대한 수치 시뮬레이션을 통해 결합 메커니즘과 안정성 분석하는 것.
• 자기장 공명을 이용해 상호작용을 조절하는 3D 광학 격자에서 이중 입자 포크 상태를 실험적으로 준비하는 것.
• 시간에 따른 비행 측정 및 쌍의 생존율 분석을 통해 반발력이 존재하는 조건과 비상호작용 조건에서의 수명을 추출하는 것.
• 측정된 생존 곡선에서 붕괴 timescale을 추출하기 위해 지수 및 이중 지수 피팅을 사용하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 격자 위치 에너지에서 에너지 보존 법칙의 제약에도 불구하고 반발력 상호작용이 안정적이고 장수명의 이중 입자 결합 상태를 유도할 수 있는가?
• RQ2 밴드 구조와 운동 에너지의 최대 제한이 반발력으로 유도된 쌍의 안정성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 동일한 시스템에서 비상호작용 또는 흡인성으로 유도된 쌍과 비교해 반발력으로 유도된 쌍의 수명은 어떻게 다른가?
• RQ4 보즈-후브라드 모델이 이러한 이국적인 결합 상태의 형성과 안정성 예측에 얼마나 정확한가?
• RQ5 반발력으로 유도된 쌍은 페르미온 또는 보즈-페르미온 혼합계와 같은 다양한 원자 통계에 걸쳐 보편적인가?

주요 결과

• 3D 광학 격자 내 반발력으로 유도된 원자 쌍은 주로 격자 광자의 비탄성 산란으로 인해 제한되는 700 ms의 수명을 보인다.
• 상호작용이 없는 경우(산산각 ≈ 0), 원자 쌍은 몇 밀리초 내에 분리되며, 이는 반발력이 안정성에 필수적임을 확인한다.
• 이론적 분석에 따르면 밴드 갭이 잠재 에너지를 운동 에너지로 전환하는 것을 방지함으로써 붕괴를 억제하여 쌍을 안정화시킨다.
• 강한 온사이트 반발력(U >> J)으로 인해 두 원자가 동일한 격자 위치에 국소화되어 메타안정 상태가 실현된다.
• 이러한 상태의 존재는 강건하고 일반적이며, 페르미온계 및 보즈-페르미온 혼합계로까지 확장되어 초냉각 양자 기체에서 널리 적용 가능함을 시사한다.
• 반발력으로 유도된 쌍은 양자 솔리톤과 엑시톤과 유사하여, 고체물리학 및 광학계에서의 다른 다체 현상과의 연결 고리를 시사한다.