[论文解读] Momentum-resolved observation of quantum depletion in an interacting Bose gas

R. Chang, Quentin Bouton+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2016

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 1

一句话总结

本研究在弱相互作用玻色气体经历330毫秒飞行时间后，实现了单原子分辨的动量分布测量，区分了两种损耗贡献：热损耗和与$k^{-4}$相关的成分，后者随阱内凝聚体密度增加而增强。后者被识别为量子损耗，为超冷气体中的多体量子效应提供了直接证据。

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.

研究动机与目标

• 直接观测并解析弱相互作用超冷玻色气体中的量子损耗。
• 通过动量空间分析，分离热损耗与量子损耗对凝聚体损耗的贡献。
• 检验 Bogoliubov 理论关于零温下量子损耗的 $k^{-4}$ 依赖性的预测。
• 研究相互作用凝聚体在飞行时间膨胀过程中量子损耗特征的保留情况。

提出的方法

• 对束缚的超冷玻色气体进行330毫秒的飞行时间膨胀，以映射其动量分布。
• 利用单原子分辨探测技术，以高空间和动量分辨率测量动量分布 $\hbar k$。
• 分析损耗信号的 $k$-依赖性，以区分热损耗（$k$-无关）与量子损耗（$k^{-4}$）贡献。
• 通过改变温度和阱内凝聚体密度，研究 $k^{-4}$ 成分对相互作用强度的依赖性。
• 将实验测得的动量分布与零温下 Bogoliubov 理论的理论预测进行比较。
• 采用系统的 $k$-依赖性分析，从热噪声和背景中分离出量子损耗信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过动量分辨的单原子探测，直接观测到弱相互作用玻色气体中的量子损耗？
• RQ2 损耗信号的 $k$-依赖性如何区分热损耗与量子损耗贡献？
• RQ3 按照 Bogoliubov 理论预测，$k^{-4}$ 成分的幅度是否随阱内凝聚体密度变化而变化？
• RQ4 尽管释放了相互作用，为何量子损耗信号在飞行时间膨胀过程中仍能持续存在？
• RQ5 在不同温度下，量子损耗对总凝聚体损耗的相对贡献如何？

主要发现

• 动量分布显示出两个不同的损耗组分：一个具有 $k$-无关行为，归因于热效应；另一个具有 $k^{-4}$ 依赖性。
• $k^{-4}$ 依赖成分随阱内凝聚体密度增加而增强，与零温 Bogoliubov 理论预测一致。
• $k^{-4}$ 成分被确认为量子损耗，为超冷玻色气体中多体量子效应提供了直接实验证据。
• 尽管相互作用凝聚体发生膨胀，量子损耗信号仍能保留，表明多体关联特征具有鲁棒性。
• 通过 $k$-依赖性分离热损耗与量子损耗，使得在受控多体系统中对量子损耗进行定量评估成为可能。
• 结果验证了弱相互作用玻色气体的理论模型，并为探测超冷量子气体中的量子关联开辟了新途径。