[论文解读] Interaction control and bright solitons in coherently-coupled Bose-Einstein condensates

Jorge Luciano Alió Sanz, A. Frölian+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2019

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 59被引用 43

一句话总结

该论文通过使用射频场相干耦合两个具有相反符号散射长度的超精细态，实现了在³⁹K玻色-爱因斯坦凝聚体中快速、相干的原子间相互作用控制。通过调节耦合场，下层 dressed态的有效散射长度在超过100 a₀范围内被动态调控，从而实现了吸引 regime 下亮孤子的观测，以及通过相互作用淬火动力学形成孤子列阵。

ABSTRACT

We demonstrate fast control of the interatomic interactions in a Bose-Einstein condensate by coherently coupling two atomic states with intra- and inter-state scattering lengths of opposite signs. We measure the elastic and inelastic scattering properties of the system and find good agreement with a theoretical model describing the interactions between dressed states. In the attractive regime, we observe the formation of bright solitons formed by dressed-state atoms. Finally, we study the response of the system to an interaction quench from repulsive to attractive values, and observe how the resulting modulational instability develops into a bright soliton train.

研究动机与目标

• 通过具有相反符号散射长度的原子态之间的相干耦合，实现对玻色-爱因斯坦凝聚体中相互作用的快速、灵活且可逆的控制。
• 实验探测由射频耦合形成的 dressed 态的弹性与非弹性散射特性。
• 通过调节 dressed 态的组分来工程化有效散射长度，实现对吸引 regime 下亮孤子的稳定化。
• 研究从排斥到吸引相互作用快速淬火后，调制不稳定性动力学的演化，进而导致孤子列阵的形成。

提出的方法

• 使用射频场相干耦合两个³⁹K超精细态（|↑⟩ ≡ |F=1, mF=−1⟩ 和 |↓⟩ ≡ |F=1, mF=0⟩），形成 dressed 态 |−⟩ 和 |+⟩。
• 通过调节射频场的拉比频率和失谐，控制混合角 θ，从而调节 dressed 态的组分，实现对有效散射长度 a⁻⁻ 的动态控制。
• 通过飞行时间膨胀成像测量有效散射长度 a⁻⁻，并利用轴向云尺寸 σₓ⁵/N 的标度关系推断相互作用强度。
• 采用 Landau-Zener 撤退，扫描速率 ≤1 kHz/µs，以制备纯 dressed 态，通过控制失谐以访问不同的极化参数 P。
• 通过快速切换从排斥到吸引相互作用 regime，执行相互作用淬火实验，以激发调制不稳定性。
• 采用含时 Gross-Pitaevskii 方程的数值模拟验证实验数据，并校正 Thomas-Fermi 近似中的偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有相反符号散射长度的原子态之间的相干耦合是否能实现对玻色-爱因斯坦凝聚体中有效相互作用的快速且灵活的控制？
• RQ2 dressed 态的弹性与非弹性散射特性如何依赖于射频耦合参数，特别是极化参数 P？
• RQ3 当有效散射长度被调节至吸引值时，能否在下层 dressed 态 |−⟩ 中稳定亮孤子？
• RQ4 在 dressed 态 BEC 中，从排斥到吸引相互作用快速淬火后，调制不稳定性动力学的演化过程是怎样的？

主要发现

• 通过改变射频失谐，实验测得下层 dressed 态 |−⟩ 的有效散射长度 a⁻⁻ 被调控超过100 a₀，实验结果与理论模型高度一致。
• 在 δ/2π ≈ 6.5 kHz（P ≈ 0.31）处观测到 a⁻⁻ 的最小值，与理论预测一致，这是由于原子间态散射长度 a↑↓ < 0 所致。
• 当有效散射长度 a⁻⁻ 变为负值时，直接观测到下层 dressed 态 |−⟩ 中的亮孤子，证实了通过相干布居实现的稳定化。
• 在从排斥到吸引相互作用的快速淬火后，系统表现出调制不稳定性，其演化最终形成亮孤子列阵，动力学行为与理论预期一致。
• 由于非弹性碰撞导致产生动量相反的原子对并释放对应于 dressed 态能隙的能量，高能级 dressed 态 |+⟩ 的寿命被限制在 ∼1 ms。
• 含时 Gross-Pitaevskii 方程的数值模拟验证了实验中 σₓ⁵/N 与 a⁻⁻ 的标度关系，并表明在大负失谐区域，Thomas-Fermi 近似中的偏差最大，此时三体复合与残余激发效应显著。