[논문 리뷰] Momentum-resolved observation of quantum depletion in an interacting Bose gas

R. Chang, Quentin Bouton외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 16.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 330 ms의 시간비행 후 약한 상호작용을 갖는 보즈 가스에서 단일 원자 해상도의 동량 분포 측정을 제시하며, 두 가지 탈진 기여를 구분한다: 열적 탈진과 $k^{-4}$-의존성 성분으로, 이 성분은 탄성 농도가 증가함에 따라 증가한다. 후자는 양자 탈진으로 확인되며, 초저온 기체에서 다체 양자 효과를 직접적으로 입증한다.

ABSTRACT

We report on the single-atom-resolved measurement of the distribution of momenta $\hbar k$ in a weakly interacting Bose gas after a 330 ms time-of-flight. We investigate it for various temperatures and clearly separate two contributions to the depletion of the condensate by their $k$-dependence. The first one is the thermal depletion. The second contribution falls of as $k^{-4}$, and its magnitude increases with the in-trap condensate density as predicted by the Bogoliubov theory at zero temperature. These observations suggest associating it with the quantum depletion. How this contribution can survive the expansion of the released interacting condensate is an intriguing open question.

연구 동기 및 목표

• 약한 상호작용을 갖는 초저온 보즈 가스에서 양자 탈진을 직접 관측하고 해상도를 높여 분석한다.
• 모멘텀 공간 분석을 통해 탄성 및 양자 기여를 분리한다.
• 보골리우보프 이론이 제시한 0온도에서의 $k^{-4}$-의존성에 대해 검증한다.
• 상호작용하는 응축체의 시간비행 팽창 기간 동안의 양자 탈진 서명의 유지 여부를 조사한다.

제안 방법

• 330 ms 동안 트랩에 갇힌 초저온 보즈 가스의 시간비행 팽창을 수행하여 동량 분포를 매핑한다.
• 고해상도 공간 및 동량 해상도를 갖춘 단일 원자 해상도 검출을 사용하여 동량 분포 $\hbar k$ 를 측정한다.
• 탈진 신호의 $k$-의존성을 분석하여 열적($k$-독립적) 및 양자($k^{-4}$) 기여를 구분한다.
• 온도와 트랩 내 응축체 농도를 변화시켜 $k^{-4}$ 성분이 상호작용 강도에 따라 어떻게 변화하는지 조사한다.
• 실험적 동량 분포를 0온도에서의 보골리우보프 이론 예측과 비교한다.
• 시스템적 $k$-의존성 분석을 통해 열 잡음 및 배경에서 양자 탈진 신호를 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 약한 상호작용 보즈 가스에서 모멘텀 해상도를 갖춘 단일 원자 검출을 통해 양자 탈진을 직접 관측할 수 있는가?
• RQ2 탈진 신호의 $k$-의존성이 열적 기여와 양자 기여를 어떻게 구분하는가?
• RQ3 $k^{-4}$-의존성 성분의 크기가 보골리우보프 이론 예측에 따라 트랩 내 응축체 농도에 비례하는가?
• RQ4 상호작용이 해제된 상태에서도 양자 탈진 신호가 시간비행 팽창 기간 동안 유지되는 이유는 무엇인가?
• RQ5 다양한 온도에서 양자 탈진이 총 응축체 탈진에 미치는 상대 기여는 얼마인가?

주요 결과

• 동량 분포는 두 가지 다른 탈진 성분을 드러내며, 하나는 열 효과로 기인한 $k$-독립적 행동을 보이고, 다른 하나는 $k^{-4}$ 의존성을 갖는다.
• $k^{-4}$-의존성 성분은 트랩 내 응축체 농도가 증가함에 따라 증가하며, 0온도 보골리우보프 이론 예측과 일치한다.
• $k^{-4}$ 성분은 양자 탈진으로 확인되며, 초저온 보즈 기체에서 다체 양자 효과를 직접적으로 입증하는 실험적 증거가 된다.
• 상호작용 응축체의 팽창에도 불구하고 양자 탈진 신호가 유지되며, 이는 다체 상관관계 서명의 강건성을 시사한다.
• $k$-의존성에 기반한 열적 및 양자 기여의 분리로, 통제된 다체계에서의 양자 탈진에 대한 정량적 평가가 가능해진다.
• 결과는 약한 상호작용 보즈 기체 이론 모델을 검증하며, 초저온 양자 기체에서의 양자 상관관계를 탐구하는 길을 열어준다.