[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究通过二维光晶格中的一维管状结构模拟牛顿摆，研究了一维超冷玻色子的退相干与退激发过程。在4.8秒内观测到振荡且加热效应极小，作者发现即使初始能量不足以激发横向激发态，仅1%的原子处于横向激发态即可触发退激发过程，揭示了一种不依赖于直接激发的量子退激发机制。

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.

研究动机与目标

• 研究在模拟牛顿摆条件下的单维超冷玻色子的退激发动力学。
• 通过调节初始分布，理解退激发过程中1D与3D行为的过渡。
• 探究当初始能量低于直接激发阈值时，横向激发态在退激发启动中的作用。

提出的方法

• 将超冷玻色子装载至形成准一维管状结构的二维光晶格中，以隔离一维动力学。
• 通过制备相干叠加态诱导振荡运动，模拟牛顿摆行为。
• 利用时间飞行能带映射技术，以高分辨率测量横向激发态的布居数。
• 在4.8秒（400次振荡）内监测系统，评估退相干与退激发，同时保持极低的加热与损失。
• 调节初始条件，以探索1D与3D退激发行为之间的过渡。
• 利用横向激发态中极小（1%）的种子原子，探测退激发的起始。

实验结果

研究问题

• RQ1 当初始能量不足以激发横向模式时，是什么触发了一维超冷玻色子系统的退激发？
• RQ2 系统在从1D向3D特性过渡期间，其退激发行为如何演化？
• RQ3 在多体系统中，横向激发态在多大程度上作为退激发的种子？
• RQ4 退激发是否可能在未直接占据横向模式的情况下发生？若能，其机制是什么？
• RQ5 在一维超冷玻色子系统中，相干振荡能持续多长时间才开始出现退相干？

主要发现

• 相干振荡可维持长达4.8秒（400次振荡），且加热与损失极小，表明该一维系统具有长寿命的相干性。
• 即使初始能量低于激发横向模式的阈值，退激发仍会启动。
• 仅1%的原子处于横向激发态的极小种子，已足以触发可测量的退激发动力学。
• 退激发的起始并不依赖于横向态的直接激发，而是由这一小部分种子原子所触发。
• 能带映射证实，横向激发态布居数随时间演化，且与退相干和退激发过程相关。