[论文解读] Dynamics and phase evolution of Bose-Einstein condensates in one-dimensional optical lattices

O. Morsch, Matteo Cristiani+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2002

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 3

一句话总结

本研究通过绝热加载和非绝热切换晶格势，研究了一维光晶格中玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）的动力学与相位演化。主要发现包括：由于相位退相干和隧穿作用，干涉图案中观察到可见度的衰减与复兴；通过减小晶格深度可诱导可见度复兴，证明了被捕获超冷原子中存在相干隧穿与再热化动力学。

ABSTRACT

We report experimental results on the dynamics and phase evolution of Bose-Einstein condensates in 1D optical lattices. The dynamical behaviour is studied by adiabatically loading the condensate into the lattice and subsequently switching off the magnetic trap. In this case, the condensate is free to expand inside the periodic structure of the optical lattice. The phase evolution of the condensate, on the other hand, can be studied by non-adiabatically switching on the periodic potential. We observe decays and revivals of the interference pattern after a time-of-flight.

研究动机与目标

• 研究绝热加载后，BEC在静态一维光晶格中自由膨胀的动力学行为。
• 研究非绝热开启光晶格时BEC的相位演化，重点关注相干性与干涉图案的演化。
• 表征隧穿、有效质量与热化在周期性势阱中BEC相干性与膨胀动力学中的作用。
• 量化干涉图案的可见度，作为衡量晶格位点间相位相干性的随时间变化指标。
• 探索非绝热晶格加载过程中隧穿、径向振荡与再热化之间的相互作用。

提出的方法

• 通过150毫秒内提升晶格深度，将87 Rb原子的BEC绝热加载至一维光晶格，确保化学势高于50 Hz时的绝热条件。
• 在关闭磁阱后，通过时间飞行成像观测BEC在晶格方向及其垂直方向的自由膨胀动力学。
• 采用改进的Gross-Pitaevskii方法，结合由能带结构计算得出的有效质量m*(U₀)，模拟晶格方向的膨胀行为。
• 通过测量垂直方向的膨胀，推断BEC在晶格中的化学势随晶格深度的变化关系。
• 非绝热地开启晶格以研究相位演化，观察到干涉图案可见度随时间的衰减与复兴。
• 通过可见度ξ = (h_peak - h_middle)/(h_peak + h_middle)量化相位相干性，追踪其随时间的演化以评估晶格位点间的相干性。

实验结果

研究问题

• RQ1 BEC在一维光晶格中的膨胀行为如何依赖于晶格深度与有效质量？
• RQ2 非绝热晶格加载后，干涉图案可见度为何出现初始衰减并随后复兴？
• RQ3 晶格位点间的隧穿在BEC相位相干性复兴过程中起多大作用？
• RQ4 径向振荡与再热化如何影响BEC中相位相干性与可见度的演化？
• RQ5 非凝聚组分在观测到的相干性动力学与能量重分布中起何作用？

主要发现

• 由于局域化于单个晶格势阱中，凝聚体在晶格方向的膨胀受到抑制，而垂直方向的膨胀因晶格加载后化学势升高而增强。
• 采用有效质量与可变化学势的理论模型，准确再现了垂直方向的膨胀动力学，且已对成像分辨率进行校正。
• 可见度ξ从约0.6–0.9在5–20毫秒内衰减至接近零，表明晶格位点波函数的快速去相位。
• 对于阱频>30 Hz的情况，可见度在稳定于初始值前发生复兴与振荡，表明通过隧穿与能量重分布实现了相干相位的再建立。
• 对于弱阱（<30 Hz），可见度在长达200毫秒内保持接近零，但通过将晶格深度降低至约4 E_rec可实现复兴，证实了隧穿在相干性恢复中的关键作用。
• 通过降低深度实现可见度复兴，表明位点间隧穿对相位相干性恢复至关重要，且再热化过程的时间尺度与径向振荡的阻尼及复兴动力学相当。