[论文解读] Dynamical formation of the Bose polaron through impurity-bath decoherence

K. Knakkergaard Nielsen, Luis A. Peña Ardila+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 1

一句话总结

本文研究了将单个杂质突然浸入玻色-爱因斯坦凝聚体时的非平衡量子动力学，表明极化子的形成源于杂质-浴态退相干。通过主方程方法，揭示了初始弛豫的非指数行为，以及在兰道临界速度附近的极化子形成时间出现临界变慢，为近期冷原子淬火实验提供了理论洞察。

ABSTRACT

We study the quantum dynamics of a single impurity following its sudden immersion into a Bose-Einstein condensate. The formation of the Bose polaron after such a quench stems from decoherence of the impurity, driven by collisions with the condensate. Using a master equation approach, we derive rigorous analytical results for the decoherence dynamics of the impurity, which reveals different stages of its evolution from a universal non-exponential initial relaxation to the final approach of the equilibrium state of the Bose polaron. The associated polaron formation time exhibit a strong dependence of the impurity momentum and is found to undergo a critical slowdown around the Landau critical velocity of the condensate. The rich non-equilibrium behavior of quantum impurities in a Bose gas revealed in this work is of direct relevance to recent cold-atom experiments, in which Bose polarons are created by a sudden quench of the impurity-bath interaction.

研究动机与目标

• 理解杂质被突然注入玻色-爱因斯坦凝聚体后的非平衡量子动力学。
• 识别退相干在玻色极化子形成过程中的作用。
• 推导退相干动力学与极化子形成时间的解析表达式。
• 将理论预测与近期涉及杂质-浴相互作用突然淬火的冷原子实验联系起来。

提出的方法

• 采用主方程方法描述杂质与玻色-爱因斯坦凝聚体浴耦合的开放量子系统动力学。
• 推导过程考虑了杂质与凝聚体之间的碰撞过程，导致退相干。
• 该方法捕捉了从初始非平衡弛豫到最终平衡极化子态的时间演化。
• 分析揭示了不同的动力学阶段，包括早期时间的普遍非指数弛豫。
• 作为杂质动量的函数，计算了极化子形成时间，发现在兰道速度附近出现临界变慢。
• 该框架通过其与超冷原子系统中实验淬火协议的一致性得到验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 杂质在突然被注入玻色-爱因斯坦凝聚体后，其动力学弛豫行为如何？
• RQ2 杂质-浴碰撞在玻色极化子形成过程中起什么作用？
• RQ3 极化子形成时间如何依赖于杂质动量与凝聚体的兰道临界速度？
• RQ4 初始非指数退相干动力学的普遍特征是什么？
• RQ5 系统如何从非平衡态演化至玻色极化子的最终平衡态？

主要发现

• 由于与浴态强耦合，杂质的初始弛豫表现出普遍的非指数动力学。
• 极化子形成时间在凝聚体的兰道临界速度附近表现出显著的临界变慢。
• 形成时间强烈依赖于杂质动量，在兰道阈值附近达到最大值。
• 系统经历不同的动力学阶段：非指数弛豫随后趋向平衡。
• 基于主方程的解析框架成功捕捉了杂质的完整非平衡演化过程。
• 研究结果与近期利用淬火协议在冷原子实验中创建玻色极化子的实验直接相关。