[论文解读] Generalized HydroDynamics on an Atom Chip

Max Schemmer, Isabelle Bouchoule+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 15

一句话总结

该论文通过测量原子芯片上⁸⁷Rb原子一维原子云在淬火后原位密度分布的时间演化，实验验证了广义流体力学（GHD）作为一维超冷原子气体正确流体动力学描述的有效性。GHD将Yang-Yang统计力学推广至非平衡动力学，其预测在不同排斥相互作用强度和温度下均与观测到的密度演化高度一致，优于基于局域热平衡假设的传统流体力学。

ABSTRACT

The emergence of a special type of fluid-like behavior at large scales in one-dimensional (1d) quantum integrable systems, theoretically predicted in 2016, is established experimentally, by monitoring the time evolution of the in situ density profile of a single 1d cloud of $^{87}{ m Rb}$ atoms trapped on an atom chip after a quench of the longitudinal trapping potential. The theory can be viewed as a dynamical extension of the thermodynamics of Yang and Yang, and applies to the whole range of repulsion strength and temperature of the gas. The measurements, performed on weakly interacting atomic clouds that lie at the crossover between the quasicondensate and the ideal Bose gas regimes, are in very good agreement with the 2016 theory. This contrasts with the previously existing 'conventional' hydrodynamic approach---that relies on the assumption of local thermal equilibrium---, which is unable to reproduce the experimental data.

研究动机与目标

• 通过实验检验广义流体力学（GHD）在一维量子可积系统中的有效性。
• 将GHD预测与淬火后时间演化原位密度分布的实验数据进行比较。
• 证明基于局域热平衡的常规流体力学无法描述观测到的动力学行为。
• 通过最小化理论与实验之间的距离，确定GHD模拟的正确初始温度和初始态。
• 确立GHD作为可积量子系统中非平衡动力学的基本理论框架。

提出的方法

• 在原子芯片上对4600 ± 100个⁸⁷Rb原子的一维原子云进行淬火后，测量其时间演化原位密度分布。
• 利用Yang-Yang状态方程重构初始相空间分布，假设在给定温度T下达到局域平衡。
• 使用重构的初始态进行GHD模拟，以预测后续时刻的密度分布。
• 通过计算所有时间和位置点上实验数据与模拟结果之间的均方距离，将GHD预测与实验数据进行比较。
• 系统性地改变初始温度T，并选择使与实验数据距离最小的T值。
• 分析相空间占据函数ν(x,v)，观察动力学中近似周期性及由相互作用引起的畸变。

实验结果

研究问题

• RQ1 广义流体力学（GHD）是否能准确描述一维超冷原子气体在淬火后的非平衡动力学？
• RQ2 GHD在预测原位密度分布时间演化方面与传统流体力学相比表现如何？
• RQ3 使GHD模拟与实验数据最佳匹配的正确初始温度和初始态是什么？
• RQ4 相互作用在多大程度上破坏了一维原子云动力学中的精确周期性？
• RQ5 在非平衡条件下，Yang-Yang状态方程是否可用于重构对GHD模拟具有物理意义的初始态？

主要发现

• GHD预测在多种淬火协议下（包括谐振子势和双阱势淬火）与实验数据高度一致。
• 对于谐振子淬火，GHD模拟与实验数据之间的均方距离在T = 0.3 μK时最小；对于双阱到谐振子的淬火，最小距离出现在T = 0.15 μK。
• 传统流体力学无法再现实验数据，尤其在超出谐振子近似范围的非平衡区域表现失败。
• 相空间占据函数ν(x,v)表现出约165 ms的近似周期性，略长于154 ms的谐振子周期，表明存在由相互作用引起的畸变。
• GHD模拟结果对初始温度的变化具有鲁棒性，在一系列T值范围内预测质量变化极小。
• 实验数据与GHD模拟结果共同证实，系统的动力学由广义流体力学框架主导，而非局域热平衡。