[논문 리뷰] Observation of Subdiffusive Dynamic Scaling in a Driven and Disordered Bose Gas.

Gevorg Martirosyan, Christopher J. Ho외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 13.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 57인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 강하게 구동되고 약간의 불순물이 있는 3D 보스 가스에서 비정상적인 동적 스케일링을 관찰한다. 에너지가 에너지 공간에서의 랜덤 워크로 인해 t₀.₅ₛ의 비선형 증가를 보이며, 운동량 분포는 보편적이고 등방성인 압축 지수 함수 스케일링을 보인다. 이는 비순환적 시스템에서의 혼돈적 역학과 대조된다. 상호작용을 증가시키면 파워 레인지 스케일링을 보이는 웨이브 터뷸런스로 부드럽게 전이되며, 이는 구동된 양자 다체계에서 비열역학적 상태 간의 연속적 전이를 드러낸다.

ABSTRACT

We explore the dynamics of a tuneable box-trapped Bose gas under strong periodic forcing in the presence of weak disorder. In absence of interparticle interactions, the interplay of the drive and disorder results in an isotropic nonthermal momentum distribution that shows subdiffusive dynamic scaling, with sublinear energy growth and the universal scaling function captured well by a compressed exponential. We explain that this subdiffusion in momentum space can naturally be understood as a random walk in energy space. We also experimentally show that for increasing interaction strength, the gas behavior smoothly crosses over to wave turbulence characterized by a power-law momentum distribution, which opens new possibilities for systematic studies of the interplay of disorder and interactions in driven quantum systems.

연구 동기 및 목표

• 강한 주기적 구동, 약한 불순물, 상호작용이 있는 3D 초냉각 보스 가스에서의 상호작용을 조사하기 위해.
• 이 조건 하에서 비상호작용 근사에서 비정상적 동적 스케일링이 나타나는지 확인하기 위해.
• 상호작용 강도가 증가함에 따라 비정상적 역학에서 웨이브 터뷸런스로의 전이 과정을 탐색하기 위해.
• 다양한 불순물과 구동 매개변수에서 동적 스케일링의 보편성과 강건성을 테스트하기 위해.

제안 방법

• 자기장 제어를 통해 상호작용을 조절할 수 있는 3D 상자 틈새에 갇힌 ³⁹K 보스-아인슈타인 응축체의 실험적 실현.
• 계산된 축 방향 힘 F = (Us/L)cos(ωₛt)ẑ를 적용하여 시스템을 비평형 상태로 구동.
• 레이저 강도를 조절하여 약한 광학적 불순물을 도입하며, 이는 트랩 깊이 UD에 비례한다.
• 비행 시간 영상 촬영을 통해 2D 운동량 분포 nk(kx, kz)를 측정한 후, 1D 반경 및 축 방향 운동량 분포를 도출하기 위해 통합.
• 압축 지수 함수 fce = A₀ exp[−(kr/k₀)ᵏ]에 운동량 분포를 피팅하여 스케일링 지수 α와 β를 추출.
• 구동 주파수 ωₛ, 구동 강도 Us, 불순물 강도 Γd를 체계적으로 변화시켜 스케일링의 강건성과 전이 영역을 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비상호작용 보스 가스에서 구동되고 불순물이 있는 상태에서 비정상적 동적 스케일링이 나타나는가? 그 스케일링 지수는 무엇인가?
• RQ2 운동량 분포는 시간에 따라 어떻게 변화하며, 보편적이고 등방성 스케일링을 보이는가?
• RQ3 에너지 공간에서의 랜덤 워크가 관측된 비정상적 역학을 설명하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 상호작용 강도를 증가시키면 동적 스케일링은 어떻게 변화하며, 웨이브 터뷸런스로의 연속적 전이가 일어나는가?
• RQ5 구동 주파수, 강도, 불순물 강도의 변화에 대해 관측된 동적 스케일링은 강건한가?

주요 결과

• 비상호작용 구동 보스 가스는 β ≈ 0.24의 지수를 보이며 비정상적 에너지 증가를 보이며, 이는 에너지가 t₀.₅ₛ의 비선형 증가를 의미한다.
• 운동량 분포는 κ ≈ 2.9–3.0의 압축 지수 함수를 따르며, 이는 보편적이고 등방성이며 비열역학적 스케일링을 나타낸다.
• 상호작용 강도가 증가함에 따라 비정상적 스케일링에서 파워 레인지 운동량 분포를 보이는 웨이브 터뷸런스로 부드럽게 전이된다.
• 구동 매개변수(ωₛ, Us)와 불순물 강도(Γd)의 넓은 범위에서 동적 스케일링이 강건하며, 일관된 스케일링 지수 α/2 ≈ β ≈ 0.24–0.30 및 κ ≈ 2.2–3.0를 유지한다.
• ωₛ ≈ ωz일 때 비정상적 스케일링이 유지되며, 약간 다른 지수(β ≈ 0.30, κ ≈ 2.2)를 보이며, 가우시안 행동에 더 가까워진다.
• 관측된 역학은 불순물이 구동에 반복적으로 결합할 수 있도록 해주는 에너지 공간에서의 랜덤 워크로 설명되며, 이는 비선형 에너지 증가를 초래한다.