[논문 리뷰] Matter Wave Jet Emission from a Driven Bose-Einstein Condensate

Zhigang Wu, Hui Zhai|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 23.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 주기적으로 변조된 보즈-아인슈타인 응축에서 물질파 제트 방출을 설명하기 위해 수를 보존하는 시간에 의존하는 보골리우보 이론을 제안한다. 이 이론은 피팅 매개변수 없이도 제트 역학과 각도 밀도 상관관계를 정확히 예측한다. 비대칭 상관관계는 서로 다른 각운동량을 지닌 준입자 간의 한버리-브라운-트위스 효과로 규명되며, 제트에 포함된 원자 수의 시간에 따른 제곱-지수 성장 법칙이 해석적으로 유도된다.

ABSTRACT

Emission of matter wave jets has been recently observed in a Bose-Einstein condensate confined by a cylindrical box potential, induced by a periodically modulated inter-particle interaction (Nature {\bf 551}, 356 (2017)). In this letter we apply the number-conserving time-dependent Bogoliubov theory to study the highly non-equilibrium quantum dynamics in this system. Without any fitting parameter, our theoretical calculations on the dynamics of the jet emission and the angular density correlation are in excellent quantitative agreement with the experimental measurements. In particular, our theory interprets the angular density correlation of the jets as the Hanbury-Brown-Twiss effect between the excited quasi-particles with different angular momenta, and this explains the puzzling observation of the asymmetric density correlations between the jets with the same and opposite momenta. We also analytically show that the number of atoms in the jet emission increases quadratically at early times and is followed by an exponential growth at later times.

연구 동기 및 목표

• 주기적으로 변조된 보즈-아인슈타인 응축에서 실험적으로 관측된 물질파 제트 방출을 이론적으로 설명하기 위해.
• 같은 및 반대 운동량을 지닌 제트 간의 비대칭 각도 밀도 상관관계의 기원을 이해하기 위해.
• 피팅 매개변수 없이 제트 역학과 원자 수 변화의 정량적 기술을 제공하기 위해.
• 관측된 상관관계를 다체 양자역학적 효과—구체적으로는 서로 다른 각운동량을 지닌 준입자 간의 한버리-브라운-트위스 효과—로 해석하기 위해.

제안 방법

• 구동된 보즈-아인슈타인 응축의 비평형 역학을 모델링하기 위해 수를 보존하는 시간에 의존하는 보골리우보 이론의 적용.
• 이론을 사용하여 피팅 매개변수 없이 제트 방출 역학과 각도 밀도 상관함수를 계산.
• 다른 각운동량을 지닌 준입자 진동수를 분석하여 상관관계의 비대칭성을 설명.
• 제트에 포함된 원자 수의 시간 진화를 해석적으로 유도하여 초기에는 제곱성장, 후기에는 지수성장이 일어남을 보여줌.
• 관측된 밀도 상관관계를 다체 양자 시스템에서의 한버리-브라운-트위스 효과로 매핑함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물질파 제트에서 관측된 비대칭 각도 밀도 상관관계의 미시적 기원은 무엇인가?
• RQ2 주기적 변조가 존재하는 조건에서 방출된 제트의 원자 수는 시간에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 피팅 없이도 다체 이론을 사용하여 제트 방출 역학을 정량적으로 기술할 수 있는가?
• RQ4 다른 각운동량을 지닌 준입자 진동수들은 관측된 상관 패턴에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 피팅 매개변수 없이도 제트 방출 역학과 각도 밀도 상관관계에 대한 이론적 예측이 실험 측정치와 뛰어난 정량적 일치를 보였다.
• 비대칭 각도 밀도 상관관계는 서로 다른 각운동량을 지닌 준입자 간의 한버리-브라운-트위스 효과로 설명된다.
• 제트에 포함된 원자 수는 초기에는 제곱성장, 후기에는 지수성장으로 변화하며, 이는 해석적으로 유도되었다.
• 이론은 집단적 제트 구조의 발생을 포함하여 시스템의 비평형 양자역학적 역학을 성공적으로 기술하였다.