[논문 리뷰] The Dicke Quantum Phase Transition in a Superfluid Gas Coupled to an Optical Cavity

Kristian Baumann, Christine Guerlin외 2명|arXiv (Cornell University)|2009. 12. 16.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 광학 공진자에 결합된 보스-아인슈타인 응축체에서 두광자 과정에 의해 유도된 무한히 장거리로 연장된 원자 상호작용을 통해 자가조직화된 초고체 상을 실현한 Dicke 양자상전이를 나타낸다. 전이의 양적 기술은 반대진동항을 포함한 Dicke 해밀토니안으로 이루어지며, 대칭성 붕괴와 상경계 매핑을 통해 확인된다.

ABSTRACT

A phase transition describes the sudden change of state in a physical system, such as the transition between a fluid and a solid. Quantum gases provide the opportunity to establish a direct link between experiment and generic models which capture the underlying physics. A fundamental concept to describe the collective matter-light interaction is the Dicke model which has been predicted to show an intriguing quantum phase transition. Here we realize the Dicke quantum phase transition in an open system formed by a Bose-Einstein condensate coupled to an optical cavity, and observe the emergence of a self-organized supersolid phase. The phase transition is driven by infinitely long-ranged interactions between the condensed atoms. These are induced by two-photon processes involving the cavity mode and a pump field. We show that the phase transition is described by the Dicke Hamiltonian, including counter-rotating coupling terms, and that the supersolid phase is associated with a spontaneously broken spatial symmetry. The boundary of the phase transition is mapped out in quantitative agreement with the Dicke model. The work opens the field of quantum gases with long-ranged interactions, and provides access to novel quantum phases.

연구 동기 및 목표

• 장거리 상호작용이 존재하는 제어 가능한 초저온 원자계에서 Dicke 양자상전이를 관측하는 것.
• Dicke 모델과 다체계에서의 양자상전이 사이에 직접적인 실험적 연결을 수립하는 것.
• 광학 공진자에 결합된 보스-아인슈타인 응축체에서 자발적인 공간 대칭성 붕괴를 통한 초고체 상의 발생을 조사하는 것.
• 전이의 상경계를 매핑하고, 반대진동항을 포함한 Dicke 해밀토니안의 예측과 정량적으로 비교하는 것.

제안 방법

• 펌프 장을 포함한 두광자 과정을 통해 광학 공진자 모드와 보스-아인슈타인 응축체를 결합하여 장거리 상호작용을 유도한다.
• 시스템이 반대진동항을 포함한 Dicke 해밀토니안이 동역학을 지배하는 영역으로 유도된다.
• 열린 양자계에서 Dicke 모델을 실현하기 위해 집합적인 물질-빛 상호작용을 설계한다.
• 원자 군집의 밀도 및 운동량 분포를 측정하여 공간 대칭성 붕괴를 탐지한다.
• 펌프 라비 주파수와 공진자 떨어짐을 조절하여 전이의 상경계를 매핑한다.
• 실험적 상경계와 반대진동항을 포함한 Dicke 모델의 이론적 예측 간 정량적 비교를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초저온 초유체 기체가 광학 공진자에 결합된 유한하고 열린 양자계에서 Dicke 양자상전이를 실현할 수 있는가?
• RQ2 이 시스템에서 초고체 상의 발생에 반대진동항이 차지하는 역할은 무엇인가?
• RQ3 두광자 과정은 응축체 내 원자 간에 어떻게 무한히 장거리로 연장된 상호작용을 생성하는가?
• RQ4 관측된 상경계가 Dicke 해밀토니안의 예측과 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 초고체 상은 연속적인 공간 대칭성의 자발적 붕괴로 특징지어지는가?

주요 결과

• 장거리 상호작용이 존재하는 다체계에서 보스-아인슈타인 응축체가 광학 공진자에 결합된 상태에서 Dicke 양자상전이가 실험적으로 실현되었으며, 이는 장거리 상호작용이 존재하는 다체계에서의 전이를 확인한다.
• 시스템은 초유동성과 주기적인 밀도 질서가 공존하는 자가조직화된 초고체 상을 나타낸다.
• 전이의 원동력은 공진자 모드와 펌프 장을 포함한 두광자 과정에 의해 유도된 무한히 장거리로 연장된 상호작용이다.
• 관측된 상경계는 반대진동항을 포함한 Dicke 해밀토니안과 정량적으로 일치한다.
• 초고체 상은 원자 군집에서 주기적인 밀도 조절이 형성됨으로써 자발적인 공간 대칭성 붕괴와 관련이 있음이 확인되었다.
• 실험적 실현은 장거리 상호작용이 존재하는 시스템에서 양자상태를 연구할 수 있는 플랫폼을 제공하며, 초저온 원자 물리학의 적용 범위를 넓힌다.