[论文解读] Exotic atom pairs: Repulsively bound states in an optical lattice

Johannes Hecker Denschlag, Andrew J. Daley|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2006

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 2被引用 7

一句话总结

该论文展示了在光学晶格中超冷原子气体内存在排斥性束缚原子对，尽管因动能约束而难以衰变，强位点排斥作用仍可防止衰变，从而形成长寿命束缚态。实验观测到87Rb原子在排斥性相互作用下寿命长达700毫秒，证实了基于玻色- Hubbard模型的理论预测，揭示了一种在固态系统中不存在的新奇量子多体现象。

ABSTRACT

We review a recent experiment with ultracold atoms in 3D optical lattices where we have observed a novel kind of bound state of two atoms which is based on repulsive interactions between the particles. These repulsively bound pairs exhibit long lifetimes, even under conditions when they collide with one another. Stable repulsively bound objects should be viewed as a general phenomenon and their existence will be ubiquitous in cold atoms lattice physics. Although the experiment described here is based on bosonic Rb atoms, other composites with fermions or Bose-Fermi mixtures should exist in an analogous manner. Furthermore, repulsively bound objects could also be formed with more than two particles. In the following we will first explain the theoretical background of repulsively atom pairs. Afterwards we will present the experiments which demonstrate several key properties of the pairs. Finally we give a short discussion of how these repulsively bound pairs relate to bound states in some other physical systems.

研究动机与目标

• 研究排斥性相互作用在超冷原子气体中是否能形成稳定束缚态。
• 探讨在晶格势场中，尽管存在能量守恒约束，排斥性相互作用如何导致束缚态的形成。
• 在受控的光学晶格环境中，实验验证理论预测的长寿命排斥性束缚对的存在。
• 建立此类束缚态与玻色- Hubbard模型之间的联系，特别是在强相互作用区域。
• 证明此类束缚态在不同原子种类中的普适性，包括费米子和玻色-费米混合系统。

提出的方法

• 使用强位点排斥作用（U >> J）的单带玻色- Hubbard哈密顿量，对双原子动力学进行理论分析。
• 在晶格上精确求解双粒子的李普曼-施温格方程，以推导束缚态波函数和能谱。
• 对一维和三维晶格中的双体问题进行数值模拟，以分析束缚机制和稳定性。
• 利用Feshbach共振调节相互作用，在三维光学晶格中制备双原子Fock态。
• 通过飞行时间测量和配对存活率分析，提取在排斥性和非相互作用条件下的寿命。
• 采用指数和双指数拟合方法，从测量的存活曲线中提取衰变时间尺度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在晶格势场中，尽管存在能量守恒约束，排斥性相互作用是否能导致稳定且长寿命的双体束缚态？
• RQ2 能带结构和动能截止在稳定排斥性束缚对中起什么作用？
• RQ3 在相同系统中，排斥性束缚对的寿命与非相互作用或吸引性束缚对相比如何？
• RQ4 玻色- Hubbard模型在多大程度上能够预测此类奇异束缚态的形成与稳定性？
• RQ5 排斥性束缚对在不同统计特性（如费米子或玻色-费米混合系统）中是否具有普适性？

主要发现

• 在三维光学晶格中，排斥性束缚原子对的寿命达到700毫秒，主要受限于晶格光子的非弹性散射。
• 在无相互作用时（散射长度 ≈ 0），原子对在数毫秒内即发生解离，证实排斥力对稳定性的关键作用。
• 理论分析表明，能带隙通过阻止势能向动能的转换，抑制了衰变，从而稳定了原子对。
• 该系统实现了亚稳态束缚态，两个原子由于强位点排斥作用（U >> J）而局域在同一晶格位点。
• 此类束缚态的存在具有鲁棒性和普适性，可推广至费米系统和玻色-费米混合系统，表明其在超冷量子气体中的广泛适用性。
• 排斥性束缚对类似于量子孤子和激子，暗示其与凝聚态和光子系统中其他多体现象的关联。