[论文解读] Interferometry with correlated matter-waves

Oksana Streltsova, Alexej I. Streltsov|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2014

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文提出一种多体干涉测量协议，通过激光脉冲将分裂的物质波亚云团重新组合，直接测量超冷吸引性玻色气体中的碎片化程度，证明零动量峰占据数与碎片化程度呈线性关系。该方法可直接、实验可实现地测量具有双峰密度分布的体系中的多体关联，适用于吸引和排斥相互作用。

ABSTRACT

Matter-wave interferometry of ultra-cold atoms with attractive interactions is studied at the full many-body level. First, we study how a coherent light-pulse applied to an initially-condensed solitonic system splits it into two matter-waves. The split system looses its coherence and develops correlations with time, and inevitably becomes fragmented due to inter-particle attractions. Next, we show that by re-colliding the sub-clouds constituting the split density together, along with a simultaneous application of the same laser-pulse, one creates three matter-waves propagating with different momenta. We demonstrate that the number of atoms in the sub-cloud with zero-momentum is directly proportional to the degree of fragmentation in the system. This interferometric-based protocol to discriminate, probe, and measure the fragmentation is general and can be applied to ultra-cold systems with attractive, repulsive, short- and long-range interactions.

研究动机与目标

• 解决如何直接测量具有吸引相互作用的超冷量子系统中碎片化的开放问题。
• 研究在平均场理论之外的物质波干涉测量中，相干性的破坏与碎片化的出现。
• 开发一种通用且实验可行的协议，利用标准干涉测量工具测量碎片化。
• 验证干涉测量可见度与碎片化系统中第二自然轨道占据数之间的关联。

提出的方法

• 本研究使用多配置时间依赖玻色子哈特ree方法（MCTDHB）求解谐振子势阱中N=100个吸引性玻色子的时间依赖多体薛定谔方程（TDSE）。
• 施加波矢k=5且相位为π的激光脉冲，将初始相干的孤子状物质波分裂为两个亚云团，引起动量转移并引发碎片化。
• 在特定再碰撞时刻通过第二个π相位激光脉冲实现系统重新组合，产生具有动量0、±2k的三股物质波。
• 通过在中心区域积分空间密度计算零动量通道中的占据数（ν），作为碎片化的代理指标。
• 推导出线性关系式：n²_intf/N = 1 – (3/2)ν，将干涉测量得到的碎片化与第二自然轨道占据数联系起来。
• 在多个再碰撞时刻（t≈7.0、14.05、21.08）测试该协议，将MCTDHB结果与一能级密度矩阵对角化（DNS）结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用标准干涉测量装置直接测量超冷吸引性玻色气体中的碎片化？
• RQ2 在双峰物质波系统中，零动量通道中的占据数如何与实际碎片化程度相关？
• RQ3 在干涉测量的分裂与重新组合过程中，超越Gross-Pitaevskii平均场近似的多体物理如何影响相干性与碎片化？
• RQ4 干涉测量可见度与碎片化之间的线性关系在不同演化阶段和再碰撞时刻是否具有鲁棒性？

主要发现

• 该干涉测量协议成功通过零动量峰占据数测量碎片化，干涉测量得到的碎片化n²_intf/N与对角化得到的精确第二自然轨道占据数n²/N高度一致。
• 在第一次再碰撞时刻（t≈7.0），DNS显示n²/N ≈ 26.4%，干涉测量结果为n²_intf/N ≈ 26.7%，可见度ν≈0.4889。
• 在第二次再碰撞时刻（t≈14.05），n²/N ≈ 43.7%，n²_intf/N ≈ 42.8%，可见度ν≈0.3817，验证了线性关系。
• 在第三次再碰撞时刻（t≈21.08），n²/N ≈ 45.7%，n²_intf/N ≈ 45.0%，可见度ν≈0.3668，表明在时间演化过程中保持一致的吻合度。
• n²_intf/N与n²/N之间的小偏差归因于再碰撞检测的时间错位，而非协议本身的根本缺陷。
• 该方法具有普适性，适用于具有吸引、排斥、短程与长程相互作用的体系，只要其表现出双峰密度结构即可。