[논문 리뷰] Interaction control and bright solitons in coherently-coupled Bose-Einstein condensates

Jorge Luciano Alió Sanz, A. Frölian외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 12.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 59인용 수 43

한 줄 요약

이 논문은 스핀이 반대인 두 초구형 상태를 공명 주파수(field)를 사용해 양자적으로 결합시켜 39K 보즈-아인슈타인 응축체에서 원자 간 상호작용을 빠르고 일관되게 제어하는 방법을 보여준다. 커플링 필드를 조절함으로써 낮은 드레스드 상태의 효과적 산란 길이를 100 a₀ 이상 동적으로 제어할 수 있었으며, 이는 인력 영역에서 빛의 솔리톤을 관측하고 상호작용 급변 동역학을 통해 솔리톤 열차를 형성하는 데 성공했다.

ABSTRACT

We demonstrate fast control of the interatomic interactions in a Bose-Einstein condensate by coherently coupling two atomic states with intra- and inter-state scattering lengths of opposite signs. We measure the elastic and inelastic scattering properties of the system and find good agreement with a theoretical model describing the interactions between dressed states. In the attractive regime, we observe the formation of bright solitons formed by dressed-state atoms. Finally, we study the response of the system to an interaction quench from repulsive to attractive values, and observe how the resulting modulational instability develops into a bright soliton train.

연구 동기 및 목표

• 스핀이 반대인 산란 길이를 가진 두 원자 상태 간의 양자적 결합을 통해 BEC에서 빠르고, 영리하며, 가역적인 원자 간 상호작용 제어를 달성하기 위해.
• BEC에서 rf 결합에 의해 형성된 드레스드 상태의 탄성 및 비탄성 산란 성질을 실험적으로 탐구하기 위해.
• 드레스드 상태 조성에 의해 효과적 산란 길이를 설계하여 인력 영역에서 빛의 솔리톤을 안정화시키기 위해.
• 반발력에서 인력으로의 급격한 상호작용 변화 이후 발생하는 조기 불안정성의 동역학을 연구하기 위해.

제안 방법

• 39K의 두 초구형 상태 (|↑⟩ ≡ |F=1, mF=−1⟩ 및 |↓⟩ ≡ |F=1, mF=0⟩) 간에 고주파 필드를 사용해 드레스드 상태 |−⟩ 및 |+⟩ 를 형성하기 위한 양자적 결합을 수행한다.
• Rabi 주파수와 rf 필드의 오프셋을 조절하여 혼합 각도 θ를 제어하고, 이로써 드레스드 상태의 조성을 제어함으로써 효과적 산란 길이 a⁻⁻ 를 동적으로 제어한다.
• 시간에 따른 확산 영상 측정을 통해 효과적 산란 길이 a⁻⁻ 를 측정하고, 축 방향 구름 크기 σₓ⁵/N 를 스케일링하여 상호작용 강도를 유추한다.
• 최소 1 kHz/µs 이하의 램프 속도를 가진 Landau-Zener 스위프를 사용해 순수한 드레스드 상태를 준비하며, 오프셋을 제어하여 다양한 극화 파라미터 P 를 접근한다.
• 반발력에서 인력 영역으로의 급격한 상호작용 변화를 유도하기 위해 상호작용 급변 실험을 수행한다.
• 시간에 따라 변화하는 고르스-피타에프스키 방정식의 수치 시뮬레이션을 수행하여 실험 데이터를 검증하고, 토머스-페르미 근사에서의 편차를 보정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반대 부호의 산란 길이를 가진 원자 상태 간의 양자적 결합이 BEC에서 효과적 상호작용을 신속하고 영리하게 제어할 수 있는가?
• RQ2 특히 극화 파라미터 P 에 따라 드레스드 상태의 탄성 및 비탄성 산란 성질은 어떻게 달라지는가?
• RQ3 효과적 산란 길이가 인력 영역으로 조절되었을 때, 낮은 드레스드 상태 |−⟩ 에서 빛의 솔리톤을 안정화시킬 수 있는가?
• RQ4 드레스드 상태 BEC에서 반발력에서 인력으로의 급격한 변화 이후 조기 불안정성의 동역학적 진화는 어떠한가?

주요 결과

• 실험적으로 rf 오프셋을 변화시킴으로써 낮은 드레스드 상태 |−⟩ 의 효과적 산란 길이 a⁻⁻ 를 100 a₀ 이상 조절하였으며, 실험 결과와 이론 모델 간 양호한 일치를 보였다.
• δ/2π ≈ 6.5 kHz (P ≈ 0.31) 에서 a⁻⁻ 의 최소값이 관측되었으며, 이는 상호작용 상태 간의 인력 산란 길이 a↑↓ < 0 이기 때문에 이론 예측과 일치한다.
• 효과적 산란 길이 a⁻⁻ 가 음수가 되었을 때 낮은 드레스드 상태 |−⟩ 에서 직접적으로 빛의 솔리톤을 관측하였으며, 이는 양자적 드레싱을 통한 안정화를 확인한 것이다.
• 반발력에서 인력 영역으로의 급격한 상호작용 변화 이후 시스템은 조기 불안정성을 나타내었고, 이는 빛의 솔리톤 열차로 진화하였다. 이 동역학은 이론적 기대와 일치하였다.
• 높은 드레스드 상태 |+⟩ 의 수명은 비탄성 충돌로 인해 약 1 ms 로 제한되었으며, 이는 반대 운동량을 가진 상관된 원자 쌍을 생성하고 드레스드 상태 에너지 갭에 해당하는 에너지를 방출하기 때문이다.
• 시간에 따라 변화하는 고르스-피타에프스키 방정식의 수치 시뮬레이션은 실험적 σₓ⁵/N 와 a⁻⁻ 의 스케일링 관계를 확인하였으며, 특히 큰 음의 오프셋에서 삼체 재결합과 잔류 진동수가 뚜렷하여 토머스-페르미 근사에서의 편차가 가장 크게 나타났다.