[论文解读] Dynamics of equilibration and collisions in ultradilute quantum droplets

Viktor Cikojević, Leandra Vranješ Markić+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 1

一句话总结

本研究采用LHY修正和QMC基泛函的含时密度泛函理论，研究了超稀释39K-39K量子液滴在弛豫过程与对心碰撞中的动力学行为。结果表明，初始组分比例偏离平均场最优值时，显著影响碰撞结果；仅作用于|F, mF⟩ = |1, 0⟩态的三体损失与总密度损失相比产生显著差异，成功解决了理论与实验之间的矛盾。

ABSTRACT

Employing time-dependent density-functional theory, we have studied dynamical equilibration and binary head-on collisions of quantum droplets made of a $^{39}$K-$^{39}$K Bose mixture. The phase space of collision outcomes is extensively explored by performing fully three-dimensional calculations with effective single-component QMC based and two-components LHY-corrected mean-field functionals. We exhaustively explored the important effect -- not considered in previous studies -- of the initial population ratio deviating from the optimal mean-field value $N_2/N_1 = \sqrt{a_{11} / a_{22}}$. Both stationary and dynamical calculations with an initial non-optimal concentration ratio display good agreement with experiments. Calculations including three-body losses acting only on the $\left|F, m_{F} ight angle=|1,0 angle$ state show dramatic differences with those obtained with the three-body term acting on the total density.

研究动机与目标

• 理解超稀释量子液滴在弛豫与双体碰撞过程中的动力学行为。
• 解决MF+LHY框架下理论预测与实验临界速度之间的差异。
• 研究初始组分比例偏离最优值N2/N1 = √(a11/a22)对碰撞结果的影响。
• 考察仅作用于|F, mF⟩ = |1, 0⟩态的三体损失与作用于总密度的损失之间的角色差异。
• 将理论模型与39K-39K液滴碰撞的实验数据进行验证

提出的方法

• 采用含时密度泛函理论（TDDFT）对液滴动力学进行全三维模拟。
• 使用两种不同泛函：有效单组分QMC基泛函与双组分LHY修正平均场泛函。
• 通过非最优初始组分比例进行静态与动力学计算，以模拟实验条件。
• 将三体损失选择性地引入|F, mF⟩ = |1, 0⟩态，并与总密度损失模型进行对比。
• 通过改变初始速度、液滴尺寸与组分比例，探索碰撞结果的完整相空间。
• 将结果与参考文献[53]的实验数据进行验证，特别是液滴合并与分离的临界速度

实验结果

研究问题

• RQ1 当初始组分比例偏离平均场最优值N2/N1 = √(a11/a22)时，如何影响超稀释量子液滴的碰撞动力学？
• RQ2 仅作用于|F, mF⟩ = |1, 0⟩态的三体损失与作用于总密度的损失相比，在液滴碰撞中产生何种影响？
• RQ3 为何MF+LHY方法无法再现实验观测到的液滴合并临界速度？
• RQ4 LHY修正与QMC基泛函能否准确描述超稀释量子液滴的弛豫与碰撞结果？
• RQ5 预测的碰撞行为模式（合并、分离、碎裂）如何依赖于初始速度与初始浓度比？

主要发现

• 初始组分比例偏离平均场最优值N2/N1 = √(a11/a22)会显著改变碰撞结果，理论与实验结果高度一致。
• 仅作用于|F, mF⟩ = |1, 0⟩态的三体损失与作用于总密度的损失相比，产生截然不同的动力学行为，成功解决了与实验临界速度的矛盾。
• 包含选择性三体损失的理论预测与实验观测的合并与分离行为模式高度吻合。
• 通过QMC基泛函引入有效范围修正，显著提升了理论在低密度区域与实验数据的一致性。
• 本研究表明，除非引入非最优初始组分比例与选择性三体损失，否则MF+LHY方法无法捕捉关键实验特征。
• 全三维TDDFT模拟表明，液滴合并的临界速度对初始浓度失衡与损失模型极为敏感。