[论文解读] Long lifetime supersolid in a two-component dipolar Bose-Einstein condensate

Shaoxiong Li, Uyen Ngoc Le+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 73被引用 43

一句话总结

本文提出在一种两组分偶极玻色-爱斯坦凝聚体（166Er-87Rb）中实现长寿命的超固态，而无需依赖通常因高原子密度和三体损失而导致寿命受限的Lee-Huang-Yang（LHY）修正。通过调节两组分之间的阱中心偏移（δ），系统实现了原子液滴之间的约瑟夫森耦合，从而激发长周期的反相Goldstone模式，并通过降低有效密度和偶极相互作用强度来抑制原子损失。

ABSTRACT

Recent studies on supersolidity in a single-component Bose-Einstein condensate (BEC) have relied on the Lee-Huang-Yang (LHY) correction for stabilization of self-bound droplets, which however involves a high density inside the droplets, limiting the lifetime of the supersolid. Here we propose a two-component mixture of dipolar and nondipolar BECs, such as an $^{166}$Er-$^{87}$Rb mixture, to create and stabilize a supersolid without the LHY correction, which can suppress the atomic loss and may allow observation of the long-time dynamics of the supersolid. In such a system, supersolidity can be controlled by the difference in the trap centers between the two components.

研究动机与目标

• 为克服由Lee-Huang-Yang（LHY）修正稳定超固态所导致的短寿命问题，该问题源于高原子密度和三体复合过程。
• 证明通过利用准自旋动力学实现的有效相互作用减弱，两组分偶极BEC可在无需LHY修正的情况下稳定超固态。
• 表明通过两组分之间的阱中心偏移δ可调控超固态的程度及其动力学行为。
• 通过降低有效密度和偶极相互作用强度来抑制原子损失，从而实现长时间动力学的观测，如缓慢的Goldstone模式振荡。

提出的方法

• 使用包含偶极-偶极相互作用（DDI）和接触相互作用的耦合非局部Gross-Pitaevskii（GP）方程来模拟两组分BEC。
• 在零温下采用平均场近似，对166Er和87Rb采用空间分离的谐振子阱，其中δ表示相对阱中心偏移（包括重力下垂效应）。
• 使用伪谱法数值求解三维GP方程，空间分辨率为dx = dy = dz ≈ 0.3 µm，时间步长dt ≈ 10 µs。
• 通过虚时演化获得基态，通过实时间演化研究动力学和通过三体复合导致的原子损失。
• 将166Er-87Rb混合体系中的µ1 ≫ µ2，以增强准自旋通道中的有效偶极相互作用，从而在无需LHY稳定的情况下实现结构形成。
• 通过调节组间散射长度a12和阱偏移δ来分析系统行为，以调控超固态和对比度。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖Lee-Huang-Yang（LHY）修正的情况下，在两组分偶极BEC中实现超固态？
• RQ2 两组分之间的阱中心偏移δ如何影响超固态程度以及液滴之间的约瑟夫森耦合？
• RQ3 使用具有显著磁矩差异的166Er-87Rb混合体系，对抑制原子损失和延长超固态寿命有何影响？
• RQ4 在无LHY稳定的情况下，是否能出现长周期的反相Goldstone模式？
• RQ5 准自旋通道中的有效相互作用强度与单组分情况相比如何？其在结构形成中起到何种作用？

主要发现

• 在166Er-87Rb两组分偶极BEC中，成功实现了稳定且长寿命的超固态，且无需Lee-Huang-Yang（LHY）修正，显著降低了原子损失。
• 系统表现出长寿命的超固态相，当δ = 1.7 µm时，对比度C ≈ 0.98，表明存在强烈的周期性密度调制。
• 对比度C随δ增加而提高，在δ = 1.7 µm时达到C ≈ 0.98，证明通过约瑟夫森耦合可增强超固态特性。
• 当a12 = 100aB时，系统可支持稳定的一维和二维超固态晶格，对比度约为0.98，即使在无LHY稳定的情况下亦成立。
• 时间演化结果显示原子损失被有效抑制，Nj在120秒内缓慢下降，表明其寿命显著长于LHY稳定液滴。
• 当δ增大时，出现长周期的反相Goldstone模式，证实了超固态中液滴之间存在相干超流行为。