[论文解读] Non-equilibrium dynamics of quantum impurities

Magnus G. Skou, Thomas G. Skov+6 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 5

一句话总结

本研究通过量子简并气体中的干涉测量技术，实验研究了量子杂质在玻色子环境中非平衡动力学。研究揭示了三个不同的动力学行为区域，其间的转变连接了少体与多体物理，展示了从弱相互作用到强相互作用下极化子形成的普遍行为。

ABSTRACT

Advancing our understanding of non-equilibrium phenomena in quantum many-body systems remains among the greatest challenges in physics. Here, we report on the experimental observation of a paradigmatic many-body problem, namely the non-equilibrium dynamics of a quantum impurity immersed in a bosonic environment. The impurity is created and monitored using an interferometric technique in a quantum degenerate gas. Thus we are able to trace the complete impurity evolution from its initial generation to the ultimate emergence of quasiparticle properties, forming the Bose polaron. These results offer a first systematic picture of polaron formation from weak to strong impurity interactions. They reveal three distinct regimes of evolution with dynamical transitions that provide a link between few-body processes and many-body dynamics. Our measurements reveal universal dynamical behavior in interacting many-body systems and demonstrate new pathways to study non-equilibrium quantum phenomena.

研究动机与目标

• 理解量子多体系统中的非平衡动力学，这是现代物理学中的一个重大挑战。
• 研究在杂质-玻色子相互作用强度变化时准粒子（特别是玻色子极化子）的形成过程。
• 弥合量子杂质中少体过程与集体多体动力学之间的鸿沟。
• 观测并表征杂质从初始制备到准粒子出现的完整演化过程。

提出的方法

• 利用量子简并气体中的干涉测量技术制备并监测杂质。
• 该系统可实现实时追踪杂质从初始态到最终准粒子态的演化过程。
• 通过工程化使玻色子环境达到量子简并，从而主导多体效应。
• 通过时间分辨测量识别出不同演化区域之间的动力学转变。
• 实验装置可系统性调节杂质-玻色子相互作用强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 当量子杂质被置于多体玻色子环境中时，其动力学演化行为如何？
• RQ2 支配玻色子极化子形成的显著动力学区域有哪些特征？
• RQ3 在极化子形成过程中，少体过程如何过渡为集体多体行为？
• RQ4 在相互作用量子系统的非平衡动力学中，哪些普遍特征会显现？

主要发现

• 识别出杂质演化的三个显著不同动力学区域，各自具有不同的弛豫与关联动力学特征。
• 系统在这些区域之间表现出动力学转变，将初始的少体过程与最终的多体准粒子行为联系起来。
• 在弱相互作用到强相互作用区域中均观测到玻色子极化子的形成，揭示了连续的演化过程。
• 在不同相互作用强度下均表现出普遍的动力学行为，表明多体量子动力学具有强鲁棒性。