[论文解读] Matter Wave Jet Emission from a Driven Bose-Einstein Condensate

Zhigang Wu, Hui Zhai|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 1

一句话总结

该论文提出了一种数守恒的时间依赖 Bogoliubov 理论，以解释周期调制的玻色-爱因斯坦凝聚体中物质波喷流的发射，无需拟合参数即可精确预测喷流动力学和角向密度关联。该理论将不对称关联解释为具有不同角动量的准粒子之间的 Hanbury-Brown-Twiss 效应，并解析推导出喷流原子数随时间的二次增长至指数增长的演化规律。

ABSTRACT

Emission of matter wave jets has been recently observed in a Bose-Einstein condensate confined by a cylindrical box potential, induced by a periodically modulated inter-particle interaction (Nature {\bf 551}, 356 (2017)). In this letter we apply the number-conserving time-dependent Bogoliubov theory to study the highly non-equilibrium quantum dynamics in this system. Without any fitting parameter, our theoretical calculations on the dynamics of the jet emission and the angular density correlation are in excellent quantitative agreement with the experimental measurements. In particular, our theory interprets the angular density correlation of the jets as the Hanbury-Brown-Twiss effect between the excited quasi-particles with different angular momenta, and this explains the puzzling observation of the asymmetric density correlations between the jets with the same and opposite momenta. We also analytically show that the number of atoms in the jet emission increases quadratically at early times and is followed by an exponential growth at later times.

研究动机与目标

• 为了从理论上解释周期调制的玻色-爱因斯坦凝聚体中实验观测到的物质波喷流发射现象。
• 为了理解相同与相反动量喷流之间角向密度关联不对称性的起源。
• 为了提供喷流动力学与原子数演化过程的定量、无参数描述。
• 为了将观测到的关联解释为一种多体量子效应——具体而言，是具有不同角动量的准粒子之间的 Hanbury-Brown-Twiss 效应。

提出的方法

• 将数守恒的时间依赖 Bogoliubov 理论应用于建模驱动玻色-爱因斯坦凝聚体中的非平衡动力学。
• 利用该理论计算喷流发射动力学与角向密度关联函数，无需任何拟合参数。
• 分析具有不同角动量的准粒子激发态，以解释关联的不对称性。
• 解析推导喷流中原子数随时间的演化，显示早期为二次增长，后期为指数增长。
• 将观测到的密度关联映射为多体量子系统中的 Hanbury-Brown-Twiss 效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的物质波喷流中角向密度关联不对称性的微观起源是什么？
• RQ2 在周期调制存在下，喷流中原子数随时间如何演化？
• RQ3 能否使用多体理论在无经验拟合的情况下对喷流发射动力学进行定量描述？
• RQ4 具有不同角动量的准粒子激发态如何对观测到的关联图案产生贡献？

主要发现

• 理论预测的喷流发射动力学与角向密度关联与实验测量结果具有极佳的定量一致性，且无需任何拟合参数。
• 不对称的角向密度关联被解释为携带不同角动量的准粒子之间的 Hanbury-Brown-Twiss 效应。
• 喷流中原子数在早期呈二次增长，后期转为指数增长，该规律已通过解析推导获得。
• 该理论成功捕捉了系统的非平衡量子动力学，包括集体喷流结构的出现。