[논문 리뷰] Interferometry with correlated matter-waves

Oksana Streltsova, Alexej I. Streltsov|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 12.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초냉각 인력 보즈 가스에서 분할을 직접 측정하기 위해 다체 간섭계 프로토콜을 제안한다. 레이저 펄스를 이용해 분리된 물질파 하위 클라우드를 재결합함으로써, 영동량 피크의 인구수가 분할의 정도와 선형 비례한다는 것을 입증한다. 이 방법은 두 봉우리 밀도 프로파일을 가지는 시스템에서 다체 상관관계를 직접적으로 실험적으로 측정할 수 있게 하며, 인력 및 복원 상호작용 모두에 유효하다.

ABSTRACT

Matter-wave interferometry of ultra-cold atoms with attractive interactions is studied at the full many-body level. First, we study how a coherent light-pulse applied to an initially-condensed solitonic system splits it into two matter-waves. The split system looses its coherence and develops correlations with time, and inevitably becomes fragmented due to inter-particle attractions. Next, we show that by re-colliding the sub-clouds constituting the split density together, along with a simultaneous application of the same laser-pulse, one creates three matter-waves propagating with different momenta. We demonstrate that the number of atoms in the sub-cloud with zero-momentum is directly proportional to the degree of fragmentation in the system. This interferometric-based protocol to discriminate, probe, and measure the fragmentation is general and can be applied to ultra-cold systems with attractive, repulsive, short- and long-range interactions.

연구 동기 및 목표

• 초냉각 양자 시스템에서 인력 상호작용가지 분할을 직접 측정하는 방법에 대한 열린 질문를 해결하기 위해.
• 평균장 이론을 초월한 물질파 간섭계에서 위상공명의 붕괴와 분할의 기원을 연구하기 위해.
• 표준 간섭계 도구를 사용하여 분할을 측정하기 위한 일반적이고 실험적으로 실현 가능한 프로토콜을 개발하기 위해.
• 분할된 시스템에서 간섭계 시야도와 두 번째 자연 궤도 점유수 사이의 연결 고리를 검증하기 위해.

제안 방법

• 연구는 N=100개의 인력 보즈 입자를 조화 터널에 놓고 시간에 따라 변화하는 다체 슈뢰딩거 방정식(TDSE)을 해결하기 위해 다구성형 시간에 의존하는 보즈를 위한 다체 이론(MCTDHB)을 사용한다.
• 파장벡터 k=5와 π위상의 레이저 펄스를 적용하여, 초기에 위상공명이 유지된 솔리톤 형태의 물질파를 두 개의 하위클라우드로 분리함으로써 동량 이동을 유도하고 분할을 유도한다.
• 특정 재충돌 시간에 두 번째 π위상 레이저 펄스를 통해 시스템을 재결합시켜 동량 0, ±2k를 가진 세 개의 물질파를 생성한다.
• 중앙 영역의 공간 밀도를 통합하여 영동량 채널의 인구수 ν를 계산함으로써, 분할의 대체 척도로 사용한다.
• 선형 관계를 유도한다: n²_intf/N = 1 – (3/2)ν로, 간섭계 측정된 분할과 두 번째 자연 궤도 점유수를 연결한다.
• 재충돌 시간 t≈7.0, 14.05, 21.08에서 여러 시점에서 프로토콜을 시험하고, MCTDHB 결과를 일계밀도행렬의 정확한 대각화(DNS)와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 간섭계 설정을 사용하여 초냉각 인력 보즈 가스의 분할을 직접 측정할 수 있는가?
• RQ2 두 봉우리 물질파 시스템에서 영동량 채널의 인구수는 실제로 분할의 정도와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ3 Gross-Pitaevskii 평균장 근사 이론을 초월한 다체 물리학은 간섭계 분할 및 재결합 과정에서 위상공명과 분할에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 간섭계 시야도와 분할 사이의 선형 관계는 진화의 다양한 단계와 재충돌 시간에 걸쳐 견고한가?

주요 결과

• 간섭계 프로토콜은 영동량 피크 인구수를 통해 분할을 성공적으로 측정하였으며, 간섭계로 측정된 분할 n²_intf/N은 대각화로부터 유도된 정확한 두 번째 자연 궤도 점유수 n²/N와 매우 유사하다.
• 첫 번째 재충돌(t≈7.0)에서 DNS는 n²/N ≈ 26.4%를 보이고, 간섭계 측정은 n²_intf/N ≈ 26.7%를 기록하였으며, 시야도 ν≈0.4889를 보였다.
• 두 번째 재충돌(t≈14.05)에서 n²/N ≈ 43.7%이고 n²_intf/N ≈ 42.8%이며, 시야도 ν≈0.3817로 선형 관계가 확인되었다.
• 세 번째 재충돌(t≈21.08)에서 n²/N ≈ 45.7%이고 n²_intf/N ≈ 45.0%이며, 시야도 ν≈0.3668로 시간에 따른 일관된 일치를 보였다.
• n²_intf/N와 n²/N 사이의 미세한 편차는 재충돌 탐지 시기의 정렬 오차에서 기인하며, 프로토콜의 근본적 결함이 아니라고 판단된다.
• 이 방법은 인력, 복원, 짧은 및 긴 범위 상호작용을 가진 시스템에 일반적으로 적용 가능하며, 두 봉우리 밀도 구조를 가지는 시스템에 한해 유효하다.