[论文解读] Emergence of turbulence in an oscillating Bose-Einstein condensate

E. A. L. Henn, J. A. Seman+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2009

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 31

一句话总结

该论文通过施加振荡磁场诱导产生量子化涡旋的混沌结构，实验展示了磁阱中⁸⁷Rb玻色-爱斯坦凝聚体中量子湍流的出现。关键发现是，湍流云团在自由膨胀过程中抑制了典型的轴向比反转——保持其各向异性的形状——表明存在一种与普通玻色-爱斯坦凝聚体和热气体均不同的新型流体动力学行为，提示了超冷原子系统中量子湍流的新特征。

ABSTRACT

We report on the experimental observation of vortices tangle in an atomic BEC of Rb-87 atoms when an external oscillatory perturbation is introduced in the trap. The vortices tangle configuration is a signature of the presence of a turbulent regime in the cloud. We also show that this turbulent cloud has suppression of the aspect ratio inversion typically observed in quantum degenerate bosonic gases during free expansion. Instead, the cloud expands keeping the ratio between their axis constant. Turbulence in atomic superfluids may constitute an alternative system to investigate decay mechanisms as well as to test fundamental theoretical aspects in this field.

研究动机与目标

• 在束缚原子玻色-爱斯坦凝聚体中实验观测量子湍流。
• 研究湍流量子流体在自由膨胀过程中的流体动力学行为。
• 识别与普通玻色-爱斯坦凝聚体或热气体膨胀动力学明显不同的量子湍流独特特征。
• 探讨涡旋混沌结构如何改变超冷量子流体的集体膨胀动力学。

提出的方法

• 在径向和轴向频率分别为ωᵣ = 2π×210 Hz和ωₓ = 2π×23 Hz的哑铃形磁阱中，制备了含(1–2)×10⁵个原子的⁸⁷Rb玻色-爱斯坦凝聚体。
• 通过与阱轴不共线的反亥姆霍兹线圈施加振荡磁场，产生频率为200 Hz、梯度最高达190 mG/cm的时变四极场。
• 振荡持续20–60 ms，采用从零到最大值的单向驱动波形，对凝聚体施加非均匀扰动。
• 延迟20 ms后释放云团，并通过吸收成像法观测涡旋结构与膨胀动力学。
• 通过吸收图像中涡旋核心与涡旋线的非均匀、不规则分布，识别出涡旋混沌构型。
• 定量比较正常玻色-爱斯坦凝聚体与湍流样品在自由膨胀过程中的轴向比演化，以检测与标准量子或热力学行为的偏离。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在束缚原子玻色-爱斯坦凝聚体中实验生成并观测到量子湍流？
• RQ2 在自由膨胀过程中，哪些流体动力学特征可将湍流量子流体与普通玻色-爱斯坦凝聚体或热气体区分开来？
• RQ3 涡旋混沌的存在是否会抑制非湍流玻色-爱斯坦凝聚体中常见的轴向比反转现象？
• RQ4 涡旋混沌产生的随机流场如何改变超流体的集体膨胀动力学？
• RQ5 轴向比反转的抑制能否作为超冷原子系统中量子湍流的诊断特征？

主要发现

• 施加振荡磁场在凝聚体中产生了非均匀分布的量子化涡旋混沌，证实了量子湍流的出现。
• 湍流云团在自由膨胀过程中表现出轴向比反转的抑制，始终维持初始的各向异性形状。
• 与从哑铃形变为薄饼形的正常玻色-爱斯坦凝聚体不同，也与达到单位轴向比的热气体不同，湍流云团保持恒定的轴向比。
• 在较长膨胀时间下，湍流云团的膨胀显著更大，表明存在通过涡旋重连和可能的级联过程导致的能量耗散。
• 轴向比未发生反转被解释为原子超流体中量子湍流的新型流体动力学特征。
• 该行为表明存在根本不同的流动状态，可能源于涡旋混沌产生的随机速度场，提示了量子湍流中能量耗散的新机制。