[論文レビュー] Dephasing and Relaxation of Bosons in 1D: Newton's Cradle Revisited

Chen Li, Tianwei Zhou+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 55被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、1次元超冷却ボーズ粒子系における緩和と位相崩壊を、1次元チューブを形成する2次元光格子内のニュートンの法ほどに似た実験的設定を用いて調査した。4.8秒間の振動を観測し、加熱を最小限に抑えた結果、初期エネルギーがこれらの状態を励起するのに十分でないにもかかわらず、横方向励起状態にあるわずか1%の原子の小さな「種」が緩和を開始することを明らかにした。これは、直接励起に依存しない量子的緩和機構の存在を示している。

ABSTRACT

We study the relaxation of ultra-cold bosons in one dimension. In a setting similar to the Newton's cradle experiment by Kinoshita et al.[Nature (London) 440, 900 (2006)], we excite the atoms to oscillate and collide in a 2D optical lattice of 1D tubes and observe the oscillations for up to 4.8 seconds (400 oscillations) with very little heating and loss. Tuning the initial distribution, we can probe the onset of relaxation in the cross over between 1D and 3D. Investigating the population of the transverse excited state by band mapping, we show that even for samples where the energy put into the system is initially not sufficient to excite transverse state, relaxation starts through a minimal (1%) seed of atoms in transverse excited states.

研究の動機と目的

• ニュートンの法に類似した条件下における1次元超冷却ボーズ粒子系の緩和ダイナミクスを調査すること。
• 初期分布を調整することで、1次元と3次元の挙動の間の遷移を理解すること。
• 初期エネルギーが直接励起の閾値を下回る状況において、横方向励起状態が緩和の開始に果たす役割を解明すること。

提案手法

• 超冷却ボーズ粒子を、1次元ダイナミクスを分離するための2次元光格子に導入し、準1次元チューブを形成する。
• 原子をコherentな重ね合わせ状態に準備することで、振動的運動を誘発し、ニュートンの法を模倣する。
• 時間飛行バンドマッピングを用いて、横方向励起状態の分布を高分解能で測定する。
• 加熱と損失を最小限に抑え、4.8秒間（400回の振動）にわたって系をモニタリングし、位相崩壊と緩和を評価する。
• 初期条件を調整することで、1次元から3次元への緩和挙動の遷移を調査する。
• 横方向励起状態にわずか1%の原子が存在する最小限の「種」を用いて、緩和の発生を調べる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期エネルギーが横方向モードを励起する閾値を下回る状況下で、1次元超冷却ボーズ粒子系の緩和はどのように引き起こされるのか？
• RQ2 1次元から3次元の性質に移行する過程で、系の緩和挙動はどのように変化するのか？
• RQ3 横方向励起状態が多数体系における緩和の「種」として果たす役割はどの程度か？
• RQ4 直接横方向モードが励起されない状況でも緩和が生じうるのか？ もしそうなら、そのメカニズムは何か？
• RQ5 1次元超冷却ボーズ粒子系では、位相が崩れるまでの間、どの程度の時間にわたりコherentな振動が持続するのか？

主な発見

• 加熱と損失を最小限に抑え、4.8秒間（400回の振動）にわたりコherentな振動が持続し、1次元系における長寿命なコherenceが示された。
• 初期エネルギーが横方向モードを励起する閾値を下回る状況でも、緩和が開始された。
• 横方向励起状態にわずか1%の原子が存在する最小限の「種」が、測定可能な緩和ダイナミクスを引き起こすのに十分であった。
• 緩和の発生は、横方向状態の直接励起に依存せず、この小さな原子集団による「種」に起因していた。
• バンドマッピングにより、横方向励起状態の分布が時間とともに変化することが確認され、位相崩壊や緩和と相関していた。