[論文レビュー] Production of strongly bound 39K bright solitons

S Lepoutre, L Fouché+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2016

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、501.3 Gのフォッシュビッチ共鳴を用いて、強く結合した39K物質波明線ソリトンの生成を示した。崩壊閾値に近い位置で、ピーク密度が最大5×10²⁰ m⁻³に達した。504.4 Gでの散乱長ゼロ交差付近で散乱長を調整し、三体崩壊を測定することで、三体崩壊係数K₃ = 1.5(6)×10⁻⁴¹ m⁶·s⁻¹を抽出した。これは、相互作用エネルギーが運動エネルギーを上回る強い相互作用を示しており、高密度ソリトンにおける集団的挙動を可能にした。

ABSTRACT

We report on the production of 39 K matter-wave bright solitons, i.e., 1D matter-waves that propagate without dispersion thanks to attractive interactions. The volume of the soliton is studied as a function of the scattering length through three-body losses, revealing peak densities as high as $\sim 5 imes 10^{20} m^{-3}$. Our solitons, close to the collapse threshold, are strongly bound and will find applications in fundamental physics and atom interferometry.

研究の動機と目的

• フォッシュビッチ共鳴の調整を用いて、崩壊閾値に近い位置で強く結合した39K物質波明線ソリトンを生成すること。
• 散乱長の関数として三体崩壊を測定し、三体崩壊係数K₃を推定すること。
• 相互作用と運動エネルギーのバランスを含む、ソリトンのサイズ、密度、エネルギー特性を特徴づけること。
• 高密度で引力的な1次元量子ガスにおける多体量子効果を研究するためのプラットフォームを確立すること。
• 将来の原子干渉計や強い相関系の量子シミュレーションへの応用を可能にすること。

提案手法

• 550 Gのフォッシュビッチ共鳴ウェイで、グレイモラッサ冷却と蒸発冷却を用いた全光的39Kボーズ＝アインシュタイン凝縮の生成。
• 1064 nm（径方向）および1550 nm（軸方向）のフォール・オフ・レゾナンス光ドライフトラップを用い、周波数が195 Hz × 195 Hz × 44 Hzの細長いトラップを形成。
• 550 Gから507 Gへ、その後501.3 Gへと2段階の磁場ランプを適用し、散乱長をa = -1.5(2) a₀に調整することで、引力的相互作用によるソリトン形成を誘発。
• 200 ms間、20 ms間隔で時間飛行像を用いて、ソリトン密度分布を測定し、伝播を追跡。
• ガウス波動関数のアンザッツを用いた変分平均場モデルに測定された三体崩壊率をフィッティングし、K₃を抽出。
• 原子数およびトラップパラメータのキャリブレーションを行い、損失率測定の誤差バーに系統的不確実性を含めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォッシュビッチ共鳴のゼロ交差付近における39K明線ソリトンの三体崩壊係数K₃は何か？
• RQ2 39K明線ソリトンは崩壊に近づくまでどのくらい高密度にできるか？また、達成されたピーク密度は何か？
• RQ3 ソリトンの相互作用エネルギーがその重心運動エネルギーを上回るのはどの点か？
• RQ4 一定のK₃を仮定した単純な平均場モデルは、散乱長に応じた観測された損失率の変化を説明できるか？
• RQ5 高密度で引力的な1次元量子ガスにおいて、集団的挙動を引き起こす条件は何か？

主な発見

• 三体崩壊係数K₃は1.5(6)×10⁻⁴¹ m⁶·s⁻¹として測定され、カリウムに対する非共鳴的三体崩壊の期待値と整合的であった。
• ピークソリトン密度は約5×10²⁰ m⁻³に達し、グロス＝ピタエフスキー枠組みでは粒子あたりの相互作用エネルギーが30 Hzに相当した。
• 粒子あたりの相互作用エネルギー（30 Hz）は、重心運動エネルギー（約1 Hz）を顕著に上回っており、強い相互作用領域を示している。
• 観測された三体崩壊率は散乱長に強く依存しており、一定のK₃を仮定した平均場モデルでよく記述されており、主な崩壊メカニズムの妥当性が裏付けられた。
• |a|値が大きい領域での理論曲線からのずれは、フォッシュビッチ共鳴付近でK₃が増加する可能性を示唆しており、おそらく非弾性過程の増強によるものである。
• この系は、原子が集団的に振る舞うと予想される領域に達しており、多体ダイナミクスや量子干渉の研究を可能にした。